L’objet de cette thèse est de présenter une étude du comportement thermomécanique
des disques de frein automobiles pour la prédiction de leur tenue en fatigue. La stratégie de
calcul numérique est repose sur le code de calcul Ansys v.11. Ce dernier qui est basé sur la
méthode des éléments finis et qui possède des algorithmes de gestion du contact avec
frottement est utilisé pour simuler dans l’application du freinage le comportement du
mécanisme malgré son complexité.
Dans un premier temps, est présentée une analyse des phénomènes thermiques opérant
dans un disque de frein en service (flux de chaleur généré par frottement, gradients
thermiques élevés, élévation de température). Cette modélisation est effectuée en tenant
compte l’influence d’un certains nombre de paramètre tel que le type de freinage, le mode de
refroidissement, les matériaux de conceptions.
Ensuite, une étude purement mécanique du contact sec entre le disque et plaquettes est
développée avec une bonne prédiction devient un enjeu majeur pour les industriels tout en
modélisant le chargement et les conditions aux limites autours du disque. Nous avons utilisé
le même code de calcul pour visualiser les déplacements, les déformations globales dans le
disque, les contraintes de cisaillement, les contraintes de Von Mises et les outils de contact
des plaquettes tout en effectuant une étude paramétrique telle que ( le module de Young des
plaquettes, le coefficient de frottement , le type de chargement , la vitesse de rotation du
disque ,..) pour voir sa sensibilité sur les résultats de calcul.
Ainsi, les analyses faites sur le comportement thermique et mécanique que de ces
prototypes montrent que ces types de solutions technologiques représentent de réelles pistes
d’amélioration qui répond au besoin de l’ingénieur en charge de la conception des disques de
frein.
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Etude Bibliographique
I.1. Introduction
I.2. Structure générale d’un système de freinage
I.3. Frein travaillant par frottement
I.3.1. Frein à tambour
I.3.1.1 Principe de fonctionnement
I.3.2. Frein à disque
I.3.2.1. Description d’un disque
I.4. Eléments d’un frein à disque
I.5. Types des étriers
I.5.1. Frein à étrier coulissant
I.5.2. Frein à étrier fixe
I.6. Les types de disque frein
I.7. Autres types de disques et leurs caractéristiques
I.7.1. Les disques rainurés
I.7.2. Les disques percés
I.8. Comparaison entre disque et tambour
I.8.1. Avantages
I.8.2. Inconvénients
I.9. Les plaquettes
I.10. Problème du disque de frein
I.11. Les matériaux du disque de frein
I.11.1. Le disque
I.11.2. Les garnitures
I.11.3. Les supports
I.12. Critère d’évaluation d’un système de freinage
I.12.1. Efficacité
I.12.2. Confort
I.12.3. Endurance
I.12.4 .Autres critères
I.13. Phénomènes thermiques dans le disque
I.14. Phénomènes mécaniques dans le disque
I.15. Matériaux conventionnels : Aciers,Fontes
I.15.1. Acier
I.15.2. Fontes
I.15.3 .Carbone
I.15.4 .Conditions d’utilisation
Chapitre II : Transfert de Chaleur
II.1. Introduction
II.2. Définitions
II.2.1. Champ de température
II.2.2 . Gradient de température
II.2.3 . Flux de chaleur
II.3. Modes de transfert de chaleur
II.3.1. Conduction
II.3.1.1 .Résistance thermique
II.3.1.2 ..Les régimes permanents
II.3.1.3. Les régimes transitoires
II.3.2. Convection
II.3.2.1. Le nombre de Reynolds
II.3.2.2. Le nombre de Nusselt
II.3.2.3 .Le nombre de Prandtl
II.3.3. Rayonnement
II.4 . Stockage d’énergie
II.5 .Les équations gouvernantes du transfert de chaleur transitoire par conduction
II.6. Calcul de flux de chaleur entrant dans le disque
II.6.1. Introduction
II.6.2. Les efforts agissant aux roues lors du freinage
II.6.3 .Puissance de freinage totale
II.6.4 . Expression du flux thermique initial
Chapitre III : Modélisation Thermomécanique du Problème
III.1. Introduction
III.2. La modélisation thermique du problème
III.2.1 .Equation de la chaleur
III.2.2. Forme différentielle
III.2.3 .Forme intégrale faible
III.2.4. Forme discrétisé : éléments finis
III.2.4.1. Représentation élémentaire (ou locale) du champ de températures
III.2.4.2 .Représentation globale du champ de températures
III.2.4.3. Partition des degrés de liberté
III.2.4.4 .Discrétisation de la forme intégrale faible
III.2.4.4.1 .Conditions initiales et conditions aux limites
III.3. Etude mécanique du contact plaquette de frein/disque
III.3.1 .Introduction
III.3.2 .Simulation du problème en ANSYS
III.3.3. Création du modèle sur ANSYS Workbench
III.3.4 .Choix du maillage
III.3.5 .Détermination de la pression de contact
III.3.6. Modélisation du modèle de contact de frein à disque
III.3.6.1. Modélisation du chargement et des conditions aux limites
III.3.6.1.1. Conditions aux limites appliquées au disque
III.3.6.1.2. Conditions aux limites et chargement appliquées aux plaquettes
III.3.7 .Gestion du contact
III.3.8 .Lancement de calcul
III.4. Modélisation du couplage thermomécanique
III.4.1. Introduction
III.4.2. Méthode de la résolution
III.4.3. Formulation du problème
III.4.3.1. Problème thermique
III.4.3.1.1.Flux de chaleur
III.4.3.2. Problème élastique
III.4.4. Analyse en ANSYS Multiphysics
Chapitre IV : Résultats et Discussions
IV.1. Introduction
IV.2. Fiche technique du véhicule choisi
IV.3. Description du disque de frein ventilé et plein et des plaquettes
IV.4. Détermination du coefficient d’échange par convection (h)
IV.4.1. Introduction
IV.4.2 . Modélisation en ANSYS CFX
IV.4.3 . Préparation de la géométrie et du maillage
IV.4.3.1. Domaine fluide
IV.4.3.1.1. Préparation du Maillage
IV.4.3.2. Disque de frein
IV.4.3.3 . Etude du maillage
IV.4.4. Flux d’air en mécanique des fluides
IV.4.5. Equations caractérisant un domaine fluide
IV.4.6. Modèle physique
IV.4.6.1. Etat stationnaire
IV.4.6.1.1 . Initialisation de la turbulence
IV.4.6.1.2. Définition du modèle matériau
IV.4.6.1.3. Définition du modèle Conditions Limites
IV.4.6.1.4 . Application des interfaces de domaine
IV.4.6.1.5. Méthode de résolution transient
IV.4.6.2 . Etat instationnaire
IV.4.7 . Condition temporelles
IV.4.8. Lancement du calcul et affichage écran des données
IV.5 . Analyse des résultats
IV.5.1 .Cas stationnaire
IV.5.2. Cas instationnaire
IV.6. Evolution transitoire de la température du disque
IV.6.1. Introduction
IV.6.2 .Description paramétrique du freinage
IV.6.3 .Maillage ou discrétisation
IV.6.4. Chargement et conditions aux limites
IV.6.5 .Résultats et corrélation
IV.6.5.1. Disque plein
IV.6.5.2. Disque ventilé
IV.6.6 .Comparaison et interprétation
IV.6.6.1 . Comparaison entre les trois types de fonte
IV.6.6.2 . Comparaison entre disque plein et ventilé
IV.6.7 Influence du mode de freinage
IV.6.7.1 Freinage répété
IV.7 .Résultats de calcul mécanique et discussions
IV.7.1. Maillage du modèle
IV.7.2. La déformée totale
IV.7.3. Contraintes équivalentes de Von Mises
IV.7.4 .Champs de contraintes sur les plaquettes de frein
IV.7.4.1 . Plaquette intérieure
IV.7.4.1.1. Répartition du champ des contraintes équivalentes de Von Mises
IV.7.4.1.2 .Répartition du champ de pression de contact
IV.7.4.2 . Plaquette extérieure
IV.7.4.2.1 . Répartition du champ des contraintes équivalentes de Von Mises
IV.7.4.2.2. Répartition du champ de pression de contact
IV.7.5 . Contraintes traction/compression et contraintes de cisaillement dans le disque
IV.7.6 . Cas d’un disque sans rotation
IV.7.7.Cas d’un étrier à double piston
IV.7.8 Résultats des modèles maillés
IV.7.8.1. Influence de la finesse du maillage
IV.7.9 .Influence du matériau des plaquettes
IV.7.9.1. Influence du module de Young des plaquettes
IV.7.9.2. Influence du coefficient de frottement
IV.7.9.3. Influence de la vitesse de rotation du disque
IV.7.9.4 .Cas d’un disque en Acier Inoxydable
IV.7.9.4.1. Comparaison entre le champ des déplacements
IV.7.9.4.2.Comparaison entre le champ des contraintes
IV.7.9.5 .Etude de l’influence de la rainure
IV.8 .Résultats du calcul thermoélastique
IV.8.1. Déformée totale et contraintes de Von Mises du modèle
IV.8.2. Champs des contraintes de Von Mises dans la plaquette intérieure
IV.8.3. Pression de contact
IV.8.4. Déformation du disque
IV.8.5. L’effet parapluie
Conclusion générale et perspectives
Bibliographie
Objectifs et thèmes de recherche
Cette thèse a pour objectif principal la modélisation numérique du comportement thermomécanique des disques de frein automobile afin de prédire leur tenue en fatigue. La recherche se concentre sur l'analyse couplée des phénomènes thermiques (générés par le frottement) et mécaniques (sollicitations liées au contact), en utilisant le logiciel ANSYS 11.0 pour simuler différentes configurations technologiques et matériaux.
- Modélisation numérique du comportement thermomécanique des disques de frein.
- Analyse de l'influence des paramètres thermiques (gradients, flux de chaleur) et mécaniques (contact, pression, frottement).
- Étude paramétrique sur les matériaux (fontes, acier inoxydable) et les géométries (disques ventilés vs pleins, plaquettes rainurées).
- Optimisation de la conception via des techniques numériques pour limiter les risques de dégradation tels que le "fading" ou l'effet parapluie.
Auszug aus dem Buch
I.10 PROBLEME DU DISQUE DE FREIN
L’analyse bibliographique des phénomènes de freinage montre que la principale sollicitation vient des fortes variations de température induites par le frottement des plaquettes contre le disque. En effet, la température peut varier de 20° C à plus de 700° C en quelques secondes seulement. Ces brusques variations ne permettent pas à la température de s’homogénéiser. De ce fait, le disque est le lieu de très forts gradients thermiques dans l’épaisseur des pistes de frottement, mais aussi dans la direction circonférentielle. Ces derniers gradients sont dus au fait que le flux de chaleur qui entre dans le disque est localisé sous les plaquettes de frein et que le disque tourne. Parfois, il apparait ce qu’on appelle des points chauds; ce sont des zones circulaires régulièrement espacées sur les pistes où la température est localement plus élevée. Soumis à de tels cycles thermiques, le disque subit des déformations anélastiques (plastiques voire même viscoplastiques) qui sont elles aussi homogènes dans la pièce. La prédiction numérique des champs thermomécaniques qui s’établissent dans le disque, a été mise en place la méthode de calcul fondamental qui prenne en compte les couplages essentiels entre les différents phénomènes, le caractère transitoire de l’histoire thermique du disque, le comportement anélastique du matériau, les gradients thermomécaniques orthoradiaux et la rotation du disque. Dans cette étude, On se rend vite compte que la simulation d’un freinage par une méthode classique par éléments finis engendrerait des temps de calcul exorbitants.
Résumé des chapitres
Introduction générale : Présente le cadre de la thèse, l'importance des systèmes de freinage et les objectifs de la modélisation numérique du comportement thermomécanique.
Chapitre I : Etude Bibliographique : Fournit une revue complète des systèmes de freinage, des types de disques et plaquettes, ainsi que des phénomènes thermiques et mécaniques critiques en jeu.
Chapitre II : Transfert de Chaleur : Détaille la formulation analytique du transfert de chaleur, incluant la conduction, la convection et le rayonnement, ainsi que le calcul du flux thermique entrant dans le disque.
Chapitre III : Modélisation Thermomécanique du Problème : Explique la mise en œuvre de la méthode des éléments finis avec le logiciel ANSYS pour modéliser le comportement couplé thermique et mécanique du système.
Chapitre IV : Résultats et Discussions : Analyse et interprète les résultats obtenus, incluant l'influence du maillage, des matériaux, du mode de freinage et du coefficient de frottement sur le comportement du disque.
Mots-clés
Disque de frein, comportement thermomécanique, méthode des éléments finis, Ansys 11.0, contact sec, fonte grise, plaquettes de frein, analyse transitoire, flux de chaleur, contraintes de Von Mises, effet parapluie, fatigue thermique, coefficient de frottement, couplage thermoélastique.
Foire aux questions
Quel est le sujet principal de cette thèse ?
La thèse traite de l'étude numérique du comportement thermomécanique des disques de frein automobiles afin de prédire leur tenue en fatigue lors de sollicitations intenses.
Quels sont les principaux domaines abordés ?
L'ouvrage couvre principalement la thermique (transfert de chaleur, flux de friction), la mécanique (contraintes, déformations, contact sec) et leur couplage thermoélastique.
Quel est l'objectif de la recherche ?
Le but est d'optimiser la conception des disques de frein en utilisant des outils de simulation numérique pour mieux comprendre les phénomènes de dégradation et améliorer les performances des matériaux.
Quelle méthode scientifique est privilégiée ?
L'auteur utilise la méthode des éléments finis (MEF) via le logiciel ANSYS v11.0 pour simuler le comportement complexe des disques et plaquettes.
Que contient le chapitre de résultats ?
Ce chapitre présente des cartographies de température, de contraintes de Von Mises, de déformations et une analyse paramétrique sur l'influence des matériaux et des conditions d'utilisation.
Quels termes définissent le mieux cette étude ?
Les termes clés incluent : comportement thermomécanique, méthode des éléments finis, fonte grise, contact sec, fatigue thermique et couplage thermoélastique.
Qu'est-ce que "l'effet parapluie" mentionné dans le texte ?
C'est une déformation induite par l'échauffement des pistes de frottement qui provoque un déplacement des surfaces, influençant négativement l'efficacité du freinage.
Comment la rainure sur les plaquettes influence-t-elle les résultats ?
La présence de rainures influe sur l'évacuation de la chaleur, des poussières et de l'eau, ayant un impact positif sur les contraintes et déplacements, bien que les variations restent faibles.
- Quote paper
- Ali Belhocine (Author), 2013, Etude thermomécanique des disques de frein, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/211828
