L’analyse du comportement thermomécanique des disques de frein est une étape incontournable dans la conception des systèmes de freinage, car la température et les contraintes conditionnent le comportement thermomécanique des matériaux du disque et des plaquettes qui peuvent subir dans des situations critiques de freinage des dommages sévères. Durant la phase de freinage, les températures et les gradients thermiques sont très élevées. Celles-ci génèrent des contraintes et des déformations qui se manifestent par l’apparition de fissures. Ce phénomène n’est pas nouveau dans le domaine des transports ferroviaires, aéronautiques ou automobile. Un nombre important de travaux de modélisation et expérimentaux a été mené ces dernières décennies pour essayer de comprendre les mécanismes de contact sec frottant. La modélisation du contact sec demeure un sujet d’actualité, surtout lorsqu’il s’agit des organes de freinage.
En raison de la sécurité des passagers, la construction optimale des disques de freins est actuellement l’objet de nombreuses études. Le contact disque – plaquettes implique de nombreux phénomènes, tels que l’élévation de la température, l’usure des pièces et les vibrations.
Vu que les essais expérimentaux, bien qu’indispensables avant toute production en série d’un système de freinage, sont relativement coûteux et longs à mettre en place, les constructeurs font appel lors de la phase de conception à la simulation numérique.
Dans ce travail de recherche, on a présenté une modélisation numérique du contact disque – plaquettes en utilisant le code de calcul ANSYS 11.0, basé sur la méthode des éléments finis, pour analyser le comportement sous l’aspect purement thermique et mécanique ainsi que sous l’aspect thermoélastique et pour prédire la tenue en fatigue des pièces en contact glissant.
Dans la première partie de ce travail, on a présenté une simulation numérique de l’écoulement de l’air autour du disque en utilisant le code de calcul CFX ( méthode des volumes finis ). On a débuté cette étape par le calcul de la valeurs du transfert de chaleur (h) en régime transitoire . Ce paramètre a été exploité pour l’analyse du comportement thermique du disque plein et ventilé pour un freinage d’arrét du véhicule . On a étudié l’influence de 3 types de fontes ( FG 25 AL , FG 20 , FG 15 ).
D’après les résultats de simulation obtenus , on a pu constater que le système de ventilation joue un role non-négligeable dans la réduction de la température du disque dans la phase de freinage.
A travers les résultats des différentes simulations, on a remarqué que la qualité des résultats concernant la répartition de la température est influencée par plusieurs paramètres :
– Paramètres technologiques illustrés par la conception,
– Paramètres numériques représentés par le nombre d’élément et le pas du temps.
– Paramètres physiques exprimés par le type de matériaux.
– Mode de freinage mis en jeu.
Dans la deuxième partie de ce travail, on a présenté une étude purement mécanique du contact entre disque de frein et la plaquette. A l’aide du modèle développée, on a pu examiner la sensibilité de certains paramètres sur les résultats de calcul, qui se résume comme suit :
– Les parties à forte concentration de contraintes se trouvent généralement dans le disque au niveau du bol, les pistes de frottement, les pieds des ailettes. causant des phénomènes mécaniques (fissures radiales, l’usure, rupture,…etc.).
– La vitesse de rotation initiale du disque a une grande influence sur le comportement mécanique.
– L’étrier à double pression constitue le chargement le plus favorable.
– La finesse du maillage augmente la précision de la solution.
– Le bon choix du matériau des plaquettes dépend de son module de Young. Le matériau ayant le plus grand module d’élasticité diminue les contraintes maximales et donne des bons résultats.
– Le choix d’un matériau des plaquettes est dépend d’un bon coefficient de frottement (le plus élevé possible).
– L’augmentation de la vitesse de rotation de disque entraîne la diminution des contraintes équivalentes de Von Mises, les contraintes de cisaillement du disque, et entraîne l’augmentation des contraintes normaux du disque et les pressions et contraintes de frottement ainsi la déformée totale des plaquettes
– L’emploi de la fonte grise pour les disques de frein influe positivement sur la contrainte en surface du disque. Elle se distingue par un meilleur comportement mécanique.
– La présence de rainures dans les plaquettes influe défavorablement sur le comportement mécanique d’un système de freinage.
– Les contraintes de Von Mises et les déformations globales du disque et les pressions de contact des plaquettes augmentent d’une manière notable lorsque l’aspect thermique et mécanique sont couplés.
– Les résultats obtenus pour le calcul numérique sont comparable à ceux qu’on trouve dans la littérature spécialisée.
Concernant les perspectives, on peut citer certains axes de recherche :
• Etude expérimentale pour vérifier l’exactitude du modèle numérique développé,
• Etude tribologique et vibratoire du contact disque – plaquettes.
• Etude du contact sec glissant sous l’aspect macroscopique (état macroscopique des surfaces du disque et plaquettes)