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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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5. Approche universelle pour les différents scénarios de vibration de frottement
En comparant les présentations des trois mécanismes générateurs de vibrations de frottement, glissement saccadé, arc-boutement et couplage de mode, on peut constater que les modélisations mécaniques présentent de nombreux points communs : utilisation de raideurs tangentielles, degré de liberté dans le sens du frottement avec des enrichissements dans les lois de frottement (pour le glissement saccadé) ou dans les degrés de liberté (couplage de mode).
La question d’une modélisation universelle permettant d’identifier le mécanisme en vigueur, plutôt que de le postuler, se pose légitimement et ce thème a déjà été abordé dans .
Une modélisation possible pour ce système générique consiste en un système à 3 degrés de liberté avec 2 masses en contact avec du frottement (figure 31).
Deux approches ont été mises en place pour analyser les instabilités vibratoires induites par le frottement. L’approche modale consiste à effectuer une analyse de stabilité du système linéarisé autour de sa position d’équilibre glissant. Pour cela, un calcul des valeurs propres complexes est effectué et permet de mettre en avant des valeurs propres ayant des parties réelles positives, synonymes de modes instables. Cette approche présente deux limites : la première est qu’elle ne permet pas de connaître les niveaux vibratoires en cas d’instabilité, et la seconde est de ne pas prendre en compte les instabilités causées par les non-linéarités induites par le décollement du contact ou les phases de collage. C’est pourquoi une approche temporelle doit également être mise en place. Celle-ci permet de reconstituer le comportement dynamique non linéaire du système par intégration des équations du mouvement dans le temps. Avec cette approche, il a été mis en avant que les non-linéarités de contact permettent de stabiliser l’amplitude des vibrations en cas d’instabilité, et de...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - GRAS (R.) - Tribologie ; principes et solutions industrielles. - Ed. Dunod Sciences & Techniques (2008).
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(2) - ZHOUA (Z.R.), VINCENT (L.) - Wear, Lubrication in fretting – a review panel. - Wear, vol. 225-229, part 2, p. 962-967 (1999).
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(4) - LE BOT (A.) - Introduction aux vibrations aléatoires. - Dunod, Paris (2019).
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(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).
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(6) - CHEN (G.S.) - Handbook of friction-vibration interactions (Chapitre 4 :...
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