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RÉSUMÉ
Les vibrations de frottement restent une manifestation du contact relativement difficile à appréhender en raison de la diversité des causes, et des manifestations. Cet article a pour objectif de présenter trois des causes principales de vibration de frottement : le glissement saccadé, l’arc-boutement et le couplage de mode. Chacun de ces trois mécanismes est passé en revue, en insistant sur la nature de la vibration qui en résulte, et en proposant un modèle mécanique minimaliste qui permet, moyennant peu de calculs, de surligner les causes principales du phénomène et de proposer des remèdes, qui s’avèrent sensiblement différents d’un mécanisme à l’autre.
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François ROBBE-VALLOIRE : Retraité, ancien professeur des Universités - Supméca, Saint-Ouen, France
INTRODUCTION
Les vibrations induites par le frottement constituent une manifestation du frottement nécessitant des efforts importants pour la combattre en raison d’une part de leur grande variété et d’autre part d’une apparition relativement courante en particulier dans les contacts secs sans lubrifiant. Les manifestations les plus classiques des vibrations de frottement sont les craquements, les broutements et les crissements. Les organes mécaniques les plus impliqués par les vibrations de frottement sont, par exemple pour le domaine automobile, les systèmes de freinage (surtout les freins à disques), les essuie-glaces et les dispositifs d’étanchéités des vitres latérales (lèche-vitre). Souvent néfaste, l’apparition de vibrations de frottement nécessite des actions pour les neutraliser, au même titre que l’usure.
Cet article a pour objectif de présenter les principaux phénomènes à l’origine des vibrations de frottement afin de pouvoir faciliter une recherche efficace de solutions.
Pour ce faire, après une rapide description des spécificités des vibrations de frottement, l’article présente une revue des modélisations minimales permettant de décrire trois des principaux scénarios de génération de vibrations dans le contact. Ces scénarios sont le glissement saccadé, l’arc-boutement et le couplage de mode.
Même s’il existe une formulation générale permettant de traiter ces trois mécanismes (§ 5), ces modélisations minimales permettent de cerner le sens physique de chacun des scénarios de vibration de frottement, et constituent également un outil quantitatif pour identifier les remèdes potentiels, qui s’avèrent très différents d’un scénario à l’autre.
Le premier mécanisme présenté (§ 2) est le glissement saccadé. Il est caractérisé par des phases successives de collage et de glissement. L’analyse du phénomène montre que sa cause principale est une différence entre coefficient de frottement statique et coefficient de frottement en phase de glissement.
Le deuxième mécanisme proposé (§ 3) est une vibration causée par le phénomène d’arc-boutement. Sa manifestation est très voisine de celle du glissement saccadé avec des phases de collage et de glissement mais la cause est complètement différente. Il s’agit d’un coefficient de frottement trop élevé associé à un couplage mécanique entre direction tangentielle et direction normale.
Le dernier mécanisme (§ 4) est le couplage de mode, il se traduit par une vibration harmonique (mode vibratoire) du système dont l’origine est l’existence de fréquences propres très voisines dans deux directions différentes (généralement les directions normale et tangentielle du contact) qui présentent, en outre, un couplage géométrique.
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Arc-boutement (sprag-slip)
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2. Glissement saccadé (stick-slip)
Ce premier mécanisme de génération de vibration dans un contact correspond à une vibration tangentielle dont l'origine est liée à des variations du coefficient de frottement avec la vitesse de glissement. Ce type de vibration de frottement se rencontre principalement dans des contacts soumis à de faibles vitesses de glissement (ce que nous tenterons de justifier à la fin de cette section). Le glissement saccadé se caractérise par un glissement non uniforme composé d’une succession de phases de collage et de glissement, d’où le nom de glissement saccadé.
Avant de décrire ce mécanisme de génération de vibration de frottement, il est nécessaire de présenter les différentes origines de variations du coefficient de frottement avec la vitesse de glissement.
2.1 Variation du coefficient de frottement avec la vitesse de glissement
Il est usuel de considérer le coefficient de frottement comme une quantité intrinsèque au contact étudié, et donc invariant, avec le chargement, ou avec la vitesse de glissement. Dans la pratique, cette hypothèse est souvent vraie au premier ordre mais révèle quelquefois des exceptions avec en particulier des variations du coefficient de frottement avec la vitesse de glissement. Nous allons citer deux domaines dans lesquels ce type de variabilité est particulièrement usuel :
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le frottement des polymères face à eux-mêmes, ou face à des métaux ;
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le frottement en environnement liquide (dit lubrifié).
2.1.1 Frottement des polymères
Des expériences systématiques sur différentes classes de matériaux montrent que le coefficient de frottement statique n’est pas une caractéristique intrinsèque d’un couple de matériaux, mais présente une augmentation quasi logarithmique avec le temps de...
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Glissement saccadé (stick-slip)
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GRAS (R.) - Tribologie ; principes et solutions industrielles. - Ed. Dunod Sciences & Techniques (2008).
-
(2) - ZHOUA (Z.R.), VINCENT (L.) - Wear, Lubrication in fretting – a review panel. - Wear, vol. 225-229, part 2, p. 962-967 (1999).
-
(3) - AKAY (A.) - Acoustics of friction. - J. Acoust. Soc. Am. 111, p. 1525-1548 (2002).
-
(4) - LE BOT (A.) - Introduction aux vibrations aléatoires. - Dunod, Paris (2019).
-
(5) - MOIROT (F.) - Étude de la stabilité d’un équilibre en présence du frottement de Coulomb. Application au crissement des freins à disque. - Thèse, École Polytechnique (1998).
-
(6) - CHEN (G.S.) - Handbook of friction-vibration interactions (Chapitre 4 :...
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