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ER5 : Freinage Contact Surface

Responsable de l'équipe : Yannick Desplanques

Le projet scientifique de l’équipe concerne les travaux menés au LML sur les phénomènes induits par le frottement et la compréhension de leurs couplages, de l’échelle de l’interface à l’échelle de la structure. Ce projet s’appuie sur la complémentarité des compétences des acteurs de l’équipe, en matériaux, tribologie, thermique, thermomécanique, dynamique et en caractérisation de surface, ainsi que sur le développement des collaborations avec des laboratoires extérieurs, entrepris en particulier au sein du travail collaboratif interdisciplinaire dans le cadre du Pôle Frein. Les acteurs ont pris conscience que la problématique des contacts frottants, notamment en freinage, ne peut être abordée par une juxtaposition d’approches disciplinaires, mais qu’elle doit intégrer les couplages multi-physiques et multiéchelles présents. La méconnaissance du comportement et des propriétés de l’interface constituent notamment l’un des principaux verrous à la compréhension des phénomènes et à leur modélisation.

Le projet s’articule autour de quatre thématiques :
→ les mécanismes de frottement et d’usure et les couplages multiphysiques activés à l’interface frottante,
→ la localisation thermique et ses conséquences sur l’endommagement, la fatigue et l’usure,
→ les vibrations induites par frottement et leurs conséquences sur le bruit, notamment le crissement,
→ l’analyse mécanique et morphologique multiéchelle des surfaces en contact.

A travers ces thèmes de recherche et l’implication de ses acteurs, l’équipe de recherche est particulièrement active dans la tâche « High performance and friendliness rubbing systems » du programme CISIT « International Campus on Safety and Intermodality in Transportation » supporté notamment par la Région Nord Pas-de-Calais.

Mécanismes de frottement et d’usure, couplages multiphysiques à l’interface
Le frottement est un phénomène multiphysique qui dépend des matériaux mais aussi des géométries, du système et des conditions d’applications. Ce thème vise à mieux comprendre les mécanismes et leurs couplages à l’interface, notamment le rôle du troisième corps, ses interactions avec la localisation de la portance, les couplages avec les phénomènes thermiques et les excitations vibratoires. L’accent est porté sur le rôle des matériaux et de leurs constituants, sur l’analyse des phénomènes thermiques de surface en thermographie et en pyrométrie optique, sur une meilleure prise en compte de l’hétérogénéité des propriétés de surface, etc.
Dans ce thème, afin de mieux appréhender les interactions entre les phénomènes, la modélisation numérique est abordée de manière complémentaire aux études expérimentales qui sont menées au laboratoire, sur des tribomètres spécifiquement équipés et instrumentés.

Localisation thermique, endommagement et usure des composants
Les localisations thermiques, de type bande chaude ou points chauds en freinage, sont des phénomènes critiques vis-à-vis des problèmes de fatigue, de fissuration et d’usure des composants. Elles sont dues aux écarts de forme des surfaces de contact, aux dilatations thermiques, aux mécanismes d’usure, à la plasticité locale… La maîtrise de ces phénomènes de localisation constitue un enjeu crucial au regard de la durée de vie des composants.
Dans ce projet, il est prévu de poursuivre les développements entrepris en modélisation, notamment par la prise en compte de surfaces de frottement inégales et non planes dans les modèles d’interface, et d’autre part, par une analyse quantitative en fatigue pour la prédiction de la durée de vie. Il s’agit de mieux appréhender les liens entre les localisations du contact à l’interface et l’endommagement en surface.

Vibrations induites par frottement
Le crissement en freinage est un problème complexe qui couvre un vaste domaine en dynamique, impliquant des échelles allant de la structure à l’interface où se manifestent les mécanismes de frottement. Si les couplages de modes vibratoires conduisant au crissement sont aujourd’hui bien maîtrisés et identifiés, les conditions à l’origine des occurrences de crissement demeurent mal connues. Ceci est principalement dû à la complexité des phénomènes physiques sous-jacents au contact entre les surfaces et aux nombreux facteurs qui influencent localement le frottement.
Ce thème concerne l’étude des couplages entre les phénomènes dynamiques et le frottement, en considérant toutes les échelles, de la surface aux composants et à la structure. L’accent sera mis sur la recherche des conditions d’occurrence de crissement, notamment l’identification des paramètres caractéristiques des surfaces et des liens avec les formulations de matériaux de friction et leur procédé de fabrication. Le développement de modèles de frottement capables de rendre comptes de ces phénomènes est également entrepris.

Analyse mécanique et morphologique multiéchelle des surfaces en contact
Dans les trois thèmes précédents, la caractérisation des propriétés mécaniques et morphologiques de surfaces constitue un élément essentiel d’identification des données des matériaux et des surfaces. Leur connaissance est un préalable à la compréhension et à la modélisation des phénomènes. Ainsi, d’une manière transversale, l’activité de recherche menée dans ce domaine contribuera activement au projet.
Des essais de dureté, de rayage et de frottement, effectués aux échelles nano, micro et méso, permettront d’évaluer les comportements individuels des constituants et leurs interactions, d’établir des cartes de propriétés exploitables en simulation du comportement macroscopique ainsi que dans l’analyse des mécanismes physiques engagés à l’interface.
La profilométrie optique ou mécanique et l’analyse morphologique quantitative seront exploitées pour rechercher les paramètres de rugosité pertinents (caractéristiques de surface) en relation avec le frottement et l’usure, pour caractériser les phénomènes de localisation et d’instabilité vibratoire. Ces paramètres seront évalués sur des longueurs de base variables, et les liens entre la microstructure des matériaux et la longueur d’évaluation la plus caractéristique des phénomènes physiques sera recherchée. L’équipe de recherche créée possède également des compétences dans le développement de méthodes d’analyse statistique et de modèles probabilistes pour l’estimation des valeurs extrêmes. Cette activité est appliquée à l’estimation des profondeurs maximales de piqures en corrosion, qui constituent un mécanisme de dégradation pernicieux des surfaces. Les compétences acquises dans ce domaine seront approfondies et pourront être appliquées aux activités de recherche de l’équipe dans la prévision des défauts ou des caractéristiques des surfaces.