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.
Inhaltsverzeichnis
:-
- Introduction
- Structure générale d’un système de freinage
- Frein travaillant par frottement
- Frein à tambour
- Principe de fonctionnement
- Frein à disque
- Description d’un disque
- Eléments d’un frein à disque
- Types des étriers
- Frein à étrier coulissant
- Frein à étrier fixe
- Les types de disque frein
- Autres types de disques et leurs caractéristiques
- Les disques rainurés
- Les disques percés
- Comparaison entre disque et tambour
- Avantages
- Inconvénients
- Les plaquettes
- Problème du disque de frein
- Les matériaux du disque de frein
- Le disque
- Les garnitures
- Les supports
- Critère d’évaluation d’un système de freinage
- Efficacité
- Confort
- Endurance
- Autres critères
- Phénomènes thermiques dans le disque
- Phénomènes mécaniques dans le disque
- Matériaux conventionnels : Aciers, Fontes, …
- Acier
- Fontes
- Carbone
- Conditions d’utilisation
-
- Introduction
- Définitions
- Champ de température
- Gradient de température
- Flux de chaleur
- Modes de transfert de chaleur
- Conduction
- Résistance thermique
- Les régimes permanents
- Les régimes transitoires
- Convection
- Le nombre de Reynolds
- Le nombre de Nusselt
- Le nombre de Prandtl
- Rayonnement
- Stockage d’énergie
- Les équations gouvernantes du transfert de chaleur transitoire par conduction
- Calcul de flux de chaleur entrant dans le disque
- Introduction
- Les efforts agissant aux roues lors du freinage
- Puissance de freinage totale
- Expression du flux thermique initial
-
- Introduction
- La modélisation thermique du problème
- Equation de la chaleur
- Forme différentielle
- Forme intégrale faible
- Forme discrétisée : éléments finis
- Représentation élémentaire (ou locale) du champ de températures
- Représentation globale du champ de températures
- Partition des degrés de liberté
- Discrétisation de la forme intégrale faible
- Conditions initiales et conditions aux limites
- Etude mécanique du contact plaquette de frein/disque
- Introduction
- Simulation du problème en ANSYS
- Création du modèle sur ANSYS Workbench
- Choix du maillage
- Détermination de la pression de contact
- Modélisation du modèle de contact de frein à disque
- Modélisation du chargement et des conditions aux limites
- Conditions aux limites appliquées au disque
- Conditions aux limites et chargement appliquées aux plaquettes
- Gestion du contact
- Lancement de calcul
- Modélisation du couplage thermomécanique
- Introduction
- Méthode de la résolution
- Formulation du problème
- Problème thermique
- Flux de chaleur
- Problème élastique
- Analyse en ANSYS Multiphysics
-
- Introduction
- Fiche technique du véhicule choisi
- Description du disque de frein ventilé et plein et des plaquettes
- Détermination du coefficient d’échange par convection (h)
- Introduction
- Modélisation en ANSYS CFX
- Préparation de la géométrie et du maillage
- Domaine fluide
- Préparation du Maillage
- Disque de frein
- Etude du maillage
- Flux d’air en mécanique des fluides
- Equations caractérisant un domaine fluide
- Modèle physique
- Etat stationnaire
- Initialisation de la turbulence
- Définition du modèle matériau
- Définition du modèle Conditions Limites
- Application des interfaces de domaine
- Méthode de résolution transient
- Etat instationnaire
- Condition temporelles
- Lancement du calcul et affichage écran des données
- Analyse des résultats
- Cas stationnaire
- Cas instationnaire
- Evolution transitoire de la température du disque
- Introduction
- Description paramétrique du freinage
- Maillage ou discrétisation
- Chargement et conditions aux limites
- Résultats et corrélation
- Disque plein
- Disque ventilé
- Comparaison et interprétation
- Comparaison entre les trois types de fonte
- Comparaison entre disque plein et ventilé
- Influence du mode de freinage
- Freinage répété
- Résultats de calcul mécanique et discussions
- Maillage du modèle
- La déformée totale
- Contraintes équivalentes de Von Mises
- Champ de contraintes sur les plaquettes de frein
- Plaquette intérieure
- Répartition du champ des contraintes équivalentes de Von Mises
- Répartition du champ de pression de contact
- Plaquette extérieure
- Répartition du champ des contraintes équivalentes de Von Mises
- Répartition du champ de pression de contact
- Contraintes de traction/compression et contraintes de cisaillement dans le disque
- Cas d’un disque sans rotation
- Cas d’un étrier à double piston
- Résultats des modèles maillés
- Influence de la finesse du maillage
- Influence du matériau des plaquettes
- Influence du module de Young des plaquettes
- Influence du coefficient de frottement
- Influence de la vitesse de rotation du disque
- Cas d’un disque en Acier Inoxydable
- Comparaison entre le champ des déplacements
- Comparaison entre le champ des contraintes
- Etude de l’influence de la rainure
- Résultats du calcul thermoélastique
- Déformée totale et contraintes de Von Mises du modèle
- Champ des contraintes de Von Mises dans la plaquette intérieure
- Pression de contact
- Déformation du disque
- L’effet parapluie
Zielsetzung und Themenschwerpunkte (Objectives and Key Themes)
: Diese Dissertation hat zum Ziel, die thermomechanischen Eigenschaften von Bremsscheiben zu modellieren und somit die Ermüdungsbeständigkeit der Bremsscheiben zu prognostizieren. Die Studie wurde mit dem Programm ANSYS v 11.0 durchgeführt, das auf der Finite-Elemente-Methode basiert. Die wichtigsten Themen der Dissertation sind:- Die thermomechanischen Eigenschaften von Bremsscheiben
- Die Modellierung der Wärmeübertragung in Bremsscheiben
- Die Simulation von trockenen Kontaktbedingungen zwischen Bremsscheiben und Bremsbelägen
- Die Analyse von Wärmeübertragungskoeffizienten und ihrer Auswirkungen auf die Temperaturverteilung
- Die Bestimmung von Spannungen und Verformungen in Bremsscheiben bei verschiedenen Belastungen
Zusammenfassung der Kapitel (Chapter Summaries)
: Kapitel 1 bietet eine umfassende Literaturrecherche, die die Konstruktion von Bremssystemen, die verwendeten Materialien, sowie die verschiedenen thermischen und mechanischen Phänomene beleuchtet. Kapitel 2 beinhaltet die analytische Formulierung der Wärmegleichung und beschreibt die beteiligten Wärmeübertragungsmodi. Kapitel 3 befasst sich mit der numerischen Modellierung des thermomechanischen Problems der Bremsscheibe sowie der Anwendung der in dieser Modellierung verwendeten Software ANSYS v 11.0. Kapitel 4 präsentiert und interpretiert die verschiedenen thermomechanischen Ergebnisse, die mithilfe des Programms erzielt wurden.Schlüsselwörter (Keywords)
: Die Dissertation befasst sich mit der Anwendung des Programms ANSYS 11.0 zur Analyse der thermomechanischen Eigenschaften von Bremsscheiben. Die wichtigsten Schlüsselbegriffe sind: Trockener Kontakt, Finite-Elemente-Methode (FEM), belüftete Bremsscheibe, Vollbremsscheibe, Grauguss, Bremsbeläge, Bremssattel, transiente Analyse, Wärmeübertragungskoeffizient, CFX, Parameterstudie, thermische Spannungen, Wärmefluss, Temperatur, Netz, Reibung, mechanische Belastung, Randbedingungen, Gesamtverformung, äquivalente Spannungen von Von Mises, Schubspannung, Verformungen, Druckverteilung im Kontakt, Riss, Verschleiß.- Citar trabajo
- Ali Belhocine (Autor), 2013, Etude thermomécanique des disques de frein, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/211828
