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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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6. Conclusion
Les vibrations de frottement constituent un phénomène courant mais complexe à appréhender en raison de la relativement grande diversité de situations possibles. Ces situations se distinguent, par des fréquences très différentes couvrant l’ensemble du domaine audible (de la centaine de hertz jusqu’à plusieurs kilohertz), mais également par des causes très variées qui entraînent des stratégies de résolution très différentes. Pour faciliter la compréhension de ces phénomènes vibratoires, les trois scénarios de vibration de frottement les plus courants sont analysés un par un, en détaillant le phénomène physique en vigueur, puis en proposant une modélisation très simplifiée à même d’identifier les paramètres susceptibles d’influencer significativement les émissions vibratoires.
Le premier scénario de vibration de frottement est le glissement saccadé. Il est caractérisé par une vibration dans la direction tangentielle matérialisée par une succession de phase de collage puis de glissement. Sa cause principale est une différence entre le coefficient de frottement statique et le coefficient de frottement dynamique (le frottement statique est supérieur au frottement dynamique).
Le deuxième scénario décrit est l’arc-boutement. Sa manifestation principale est toujours une instabilité dans la direction tangentielle qui va du blocage complet du contact, jusqu’à des phases successives de collage puis glissement (comme pour le glissement saccadé), voire des vibrations harmoniques. La cause de cette instabilité est un niveau de frottement trop important associé à un couplage géométrique qui augmente l’effort normal sur le contact lors de l’apparition d’une force de frottement.
Le dernier scénario détaillé est le couplage de mode qui se traduit par une vibration harmonique dans plusieurs directions dont l’origine physique est une combinaison de paramètres (y compris la valeur du coefficient de frottement) qui entraîne des fréquences propres identiques dans des directions présentant un couplage fort (géométrique et/ou frottement).
L’approche de premier niveau proposée ici utilise des modèles basiques limités en représentativité mais aptes à distinguer les différentes variantes de vibration de frottement et les causes respectives. Cette approche est suffisante pour permettre, de diagnostiquer le type de scénario parmi les possibles, puis d’identifier les paramètres les...
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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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