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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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Glissement saccadé (stick-slip)
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1. Liens entre vibrations et frottement
Décrire les liens existants entre vibrations et frottement présente de multiples difficultés majeures. Une première est la présence d'une interaction complexe entre vibrations et frottement car la présence de vibrations dans un contact modifie le comportement en frottement, et en parallèle le frottement est capable de générer des vibrations. Une autre difficulté réside dans le fait qu’un contact donné va pouvoir émettre des vibrations de natures très différentes. Enfin, une dernière difficulté est liée à la nature même des vibrations qui reste un phénomène impliquant la déformabilité d'une au moins des pièces d'un mécanisme. L'analyse plus détaillées de ces difficultés sera faite dans les paragraphes qui suivent, ce qui va permettre de justifier le périmètre retenu pour le cadre de cet article.
1.1 Analyse des interactions entre vibrations et frottement
Pour analyser les interactions possibles entre vibration et frottement, il faut revenir à une description générale du contexte de la tribologie. Pour ce faire, il est nécessaire de distinguer correctement, les phénomènes observés dans le contact (conséquences du contact), et les éléments à l'origine de ces phénomènes observés (éléments causes). La structuration de type cause/effets, avec un diagramme d’Ishikawa (ou en arête de poisson), facilite (figure 1) le positionnement de ces différents éléments.
Une description exhaustive des différents phénomènes observables dans un contact (ou effets) peut se trouver en détail dans mais également dans les articles des Techniques de l’ingénieur [TRI 100]et ...
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Liens entre vibrations et frottement
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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