Crissement de frein: une revue de la littérature

Abstrait

  Le crissement des freins, qui se situe généralement dans la gamme de fréquences comprise entre 1 et 16 kHz, est l’un des problèmes les plus difficiles associés aux systèmes de freinage automobile depuis leur création. Il provoque le mécontentement des clients et augmentefrais de garantie. Bien que d'importantes recherches aient été menées pour prévoir et éliminer les cris de frein depuis les années 1930, il est encore assez difficile de prédire son occurrence. Dans cet article, les caractéristiques et le courantLes difficultés rencontrées pour lutter contre le crissement des freins sont décrites en premier. On passe ensuite en revue les méthodes analytiques, expérimentales et numériques utilisées pour l’enquête sur le crissement des freins. Certains des défis auxquels sont confrontés les cris de freinsles recherches sont décrites. Tous les droits sont réservés.

 introduction

  Le crissement des freins est l’un des problèmes les plus difficiles associés aux systèmes de freinage automobile depuis leur création. Des recherches sur la prévision et l'élimination des cris de freins ont été menées depuis les années 1930 [1,2]. Initialement tambourles freins ont été étudiés en raison de leur utilisation intensive dans les premiers systèmes de freinage automobile. Cependant, les systèmes de freins à disque sont davantage utilisés dans les véhicules modernes et sont devenus le centre de la recherche sur les crissements de freins.

  Figues. Les figures 1 et 2 illustrent un système de freinage à disque typique avec une conception d’étrier de type «stst-type». Un système de freinage à disque est constitué d'un rotor qui tourne autour de l'axe de la roue. L’étrier est monté sur le système de suspension du véhiculeà travers une ancre

Fig. 1. Un système de freinage typique du type ‘stst’.

Fig. 2. Schéma d'un système de frein à disque.

support. Le logement de l’étrier peut glisser sur le support d’ancrage à travers les deux broches. Les plaquettes de frein avec un matériau de friction moulé peuvent également glisser sur le support d'ancrage. Un piston peut glisser dans le logement de l'étrier. Lorsque la pression hydraulique estappliqué, le piston est poussé en avant pour plaquer le patin interne contre le rotor et, en même temps, le boîtier est poussé dans le sens opposé pour presser le patin externe contre le rotor, générant ainsi un couple de freinage.

  Comme toutes les autres applications avec interface de friction, le bruit et les vibrations sont des sous-produits inhérents à l'application des freins. Le bruit et les vibrations des freins ont été classés en fonction de leur fréquence: sifflement, gémissement, bourdonnement, crissement, squelchet brosse métallique [3]. Le bruit strident particulièrement gênant tombe généralement dans une gamme de fréquences allant de 1 à 16 kHz.

  Le grincement des freins est généré par la vibration d'un mode de vibration instable du système de freinage. Dans cette condition, le rotor de frein peut servir de haut-parleur car il présente de grandes surfaces planes pouvant facilement émettre un son. L'occurrence dele grincement des freins est une préoccupation car il provoque une gêne importante pour les occupants du véhicule, un mécontentement des clients et une augmentation des coûts de la garantie. Malheureusement, les nombreuses recherches sur le crissement des freins ont échoué.permettre une compréhension complète ou la capacité de prédire son apparition [1–26]. Ceci est dû en partie à la complexité des mécanismes qui causent le crissement des freins et en partie à la nature concurrentielle du secteur automobile.l’industrie, ce qui limite le nombre de recherches coopératives publiées dans la littérature scientifique.

  Yang et Gibson ont procédé à un examen approfondi du crissement des freins en 1997 [4], mais celui-ci s'est concentré dans une certaine mesure sur les aspects matériels d'un système de freinage. L’objectif de ce document est de décrire les caractéristiques et lesdifficultés actuelles rencontrées dans la lutte contre le crissement des freins et la révision des méthodes analytiques, expérimentales et numériques utilisées pour étudier le crissement des freins.

Caractéristiques du frein

  Le matériau de friction est l’un des principaux contributeurs au crissement des freins, car une excitation du crissement se produit à l’interface de frottement et il faut environ 12 mois pour finaliser la sélection du matériau de frottement. Ce certainementil est très difficile de prédire a priori la propension d’un système de freinage à crier. De plus, souvent dans la conception d'un système de freinage, la priorité est donnée à des exigences telles que la performance de freinage, le coût et la facilité de fabrication. Le communLa pratique selon laquelle les différents composants d'un système de freinage doivent être fabriqués par différents fournisseurs complique encore les choses. Le grand nombre de véhicules produits signifie que même une faible propension au crissement constatée lors des premiers essais deun système de freinage peut devenir une préoccupation majeure une fois qu'un véhicule est en production en raison de la taille beaucoup plus grande de la population. Les modi fi cations vers la fin de la phase de développement auront deux risques potentiels:

  (1) entraînant des retards de production et une augmentation des coûts à la fois pour les fabricants de freins et de véhicules et (2) pour des produits non entièrement validés qui pourraient poser des problèmes de garantie sur le terrain.

  La complication la plus importante dans la recherche sur les freins est la nature fugitive du crissement des freins; c'est-à-dire que le crissement des freins peut parfois être non répétable. Il existe de nombreuses fréquences de crissement (modes instables) pour un système de freinage. Chaquecomposant individuel a ses propres modes naturels. Le nombre de modes d’un rotor dans la plage de l’audience humaine peut aller jusqu’à 80. Les fréquences modales et les formes modales du rotor, de l’épaisseur, de l’ancre et du coussinet changeront dès que ces pièces seront remplacées.installé sur place. Lors du freinage, ces pièces sont couplées dynamiquement entre elles, ce qui donne une série de modes de vibration couplés, différents des modes de vibration sans composant. L'addition du frottementLes forces de couplage à l'interface de frottement donnent la matrice de rigidité du système contenant des termes de couplage asymétriques asymétriques. Du point de vue de la stabilité, ce couplage est considéré comme la cause première du frein.hurler. Un système de freinage ne peut pas toujours crier étant donné les «mêmes» conditions. Alternativement, de petites variations de la température de fonctionnement, de la pression de freinage, de la vitesse du rotor ou du coefficient de frottement peuvent entraîner des crissements différents.propensions ou fréquences. Figues. Les figures 3 et 4 illustrent le pourcentage de crissement des freins obtenu chez PBR Automotive Pty Ltd à l'aide d'un dynamomètre à bruit de type traîné et d'une matrice de bruit AK pour diverses pressions et températures de freinage.respectivement. On peut voir sur la figure 3 qu'il n'y a pas de relation simple entre le pourcentage d'occurrences et la fréquence du crissement des freins et la pression des plaquettes de freins. De même, l’influence de la température sur l’apparitionet la fréquence du crissement des freins est assez complexe (Fig. 4).

  En raison des difficultés susmentionnées liées à la conception d'un système de freinage sans bruit, les efforts visant à éliminer le crissement des freins ont été en grande partie empiriques, les systèmes de freinage problématiques étant traités au cas par cas. Le succès de cesLes fi xes empiriques dépendent du mécanisme responsable du problème de crissement. La méthode la plus fondamentale pour éliminer le crissement des freins est de réduire le coefficient de frottement du matériau du patin [5-7]. Cependant, celaréduit évidemment les performances de freinage et n’est pas une méthode préférable. L'utilisation d'un matériau viscoélastique (matériau amortissant) à l'arrière de la plaque arrière peut être efficace lorsqu'il existe une vibration de flexion importante du coussinet [8,9]. En changeantle couplage entre la plaquette et le rotor en modifiant la forme de la plaquette de frein s'est également révélé efficace [10,11]. Parmi les autres modifications géométriques qui ont donné de bons résultats, citons la modification de la rigidité de l’épaisseur [12,13], l’épaisseur de l’épaisseursupport de montage [14,15], méthode de fixation du patin [16] et géométrie du rotor [17,18].

Fig. 3. Variation des occurrences de crissement de frein en fonction de la fréquence et de la pression des plaquettes de frein.

Fig. 4. Variation des occurrences de crissement de frein en fonction de la fréquence et de la température.

Analyse du crissement des freins

  méthodes analytiques

  Les premières recherches sur le crissement des freins suggéraient que la variation du coefficient de frottement avec la vitesse de glissement en était la cause [19]. Non seulement il y a une différence entre le coefficient de frottement statique et dynamique, mais il étaitpensait que la diminution du frottement cinétique avec la vitesse de glissement accrue pouvait conduire à un état de glissement et produire des vibrations auto-excitées. Cependant, il a été démontré que des cris se produisent dans les systèmes de freinage où le coefficient de cinétiquele frottement est constant [20] et a conduit à l’analyse des aspects géométriques d’un système de freinage.

  Spurr a proposé un modèle précoce de glissement par glissement qui décrit une hypothèse de couplage géométrique en 1961 [6]. Considérons une jambe de force inclinée d'un angle 0 par rapport à une surface de glissement, comme indiqué sur la figure 5 (a).où µ est le coefficient de frottement et L est la charge. On peut voir que la force de frottement va approcher l'infini quand µ s'approche de cot θ. Lorsque µ = cot θ, la jambe de suspension ‘s’accroche’ ou se bloque et la surface ne peut plus se déplacer. Spurr’sLe modèle Sprag-Slip consistait en un double porte-à-faux, comme illustré à la Fig. 5 (b). Ici, le bras O0P est incliné d'un angle 0O par rapport à une surface en mouvement. Le bras tournera autour d’un pivot élastique O0 lorsque P se déplace sous l’influence de la force de frictionF une fois que l'angle de spragging est atteint. Finalement, le moment qui s'oppose à la rotation autour de O0 devient si important que O00P remplace OOP et l'angle d'inclinaison est réduit à θ00. L'énergie élastique stockée dans O0 peut maintenant être libéréeet le OOP pivote dans la direction opposée à la surface en mouvement. Le cycle peut maintenant recommencer, entraînant un comportement oscillatoire.

  D'autres ont étendu cette idée pour tenter de modéliser plus complètement un système de freinage. Jarvis et Mills utilisaient un frottement en porte-à-faux contre un disque en rotation en 1963 [21], Earles et Soar utilisaient un modèle pin-disc en 1971 [22] et North introduisitson modèle de huit degrés de liberté en 1972 [23]. Le point culminant de ces efforts était un modèle publié par Millner en 1978 [24]. Millner a modélisé le disque, le coussinet et l’étrier comme un modèle à paramètre unique et a trouvé un bonaccord entre le crissement prédit et observé. Une analyse de valeurs propres complexes a été utilisée pour déterminer quelles configurations seraient instables. Les paramètres étudiés comprenaient le coefficient de frottement des plaquettes, le module de Young du matériau des plaquettes,et la masse et la rigidité de l'épaisseur. On a constaté que la propension au sifflement augmentait fortement avec le coefficient de frottement, mais le sifflement ne se produirait pas en dessous d'une valeur seuil de 0,28. Il a constaté que, pour une valeur de frottement constante, leL’apparition de crissement et de fréquence de crissement dépend de la rigidité du matériau du coussinet (module de Young). La masse et la rigidité de l'épaisseur montraient également des régions étroites distinctes où la propension au crissement était élevée.

  Les conclusions communes de ces modèles sont que le crissement des freins peut être provoqué par des instabilités induites géométriquement ne nécessitant pas de variations du coefficient de frottement. Comme ces approches théoriques sous forme fermée ne peuventPour modéliser de manière adéquate les interactions complexes entre composants présents dans des systèmes de freinage pratiques, leur applicabilité a été limitée. Cependant, ils permettent de mieux comprendre le mécanisme du crissement des freins en soulignant lesphénomènes physiques qui se produisent quand un système de freinage exige.

  méthodes expérimentales

  Les fréquences d'un frein strident dépendent fortement des fréquences propres du rotor de frein [17]. Par conséquent, il est fondamental de pouvoir déterminer les modes de vibration du rotor. Non seulement unla compréhension des modes de vibration du rotor permet de prédire comment un système de freinage peut vibrer, mais il est également nécessaire de développer des contre-mesures pour éliminer le problème. L'existence de modes dans le plan en plus de la flexionLes modes sont une complication supplémentaire, et il est prouvé que les modes dans le plan peuvent être la cause de certains types de crissement de frein ainsi que des modes de flexion [18].

Fig. 5. (a) Jambe simple frottant contre une surface en mouvement; (b) système de glissement.

Les accéléromètres constituent un outil efficace pour déterminer les formes de mode de vibration et la réponse forcée d'un système. La figure 6 (a) montre une forme de mode de flexion d'un rotor de frein typique qui a été déterminée expérimentalement.

  Un modèle a été créé à l'aide du logiciel STAR MODAL composé de 384 points de grille sur la surface d'un rotor de frein. Les mesures de réponse en fréquence ont été effectuées avec une analyse BFT FFT B & K 2032 à l’aide d’un accéléromètre uniaxial B & K 4374 et d’un accéléromètre B & K;8001 tête d'impédance. L'excitation a été introduite avec un agitateur B & K 4810 piloté par un signal de bruit aléatoire. Malheureusement, le montage des contacts requis pour les accéléromètres limite leur utilisation sur des composants de freins en rotation. Ils ne peuvent être queutilisé pour l'analyse des composants de freins à l'arrêt rendant presque impossible la détermination des formes de mode d'un rotor de frein à crissement.

  Les techniques optiques ont été utilisées plus récemment. En particulier, l’interférométrie holographique à double impulsion laser a été appliquée avec succès aux systèmes de freins crissant [16,17,25,26]. Cela a permis aux formes en mode couplé d'une complètesystème de freinage à déterminer pendant le crissement. Une image holographique est produite en déclenchant un laser à l’amplitude maximale et minimale d’un objet vibrant. La différence de longueur du chemin optique, provoquée par la forme déformée del'objet vibrant crée un motif de franges d'interférence sur une plaque holographique. La forme du mode peut ensuite être déterminée en interprétant le motif de franges.

  L’interférométrie holographique présente l’avantage de pouvoir déterminer les formes de mode d’un rotor de frein lorsqu’il crisse. L’image holographique peut inclure le rotor, les patins, le support d’ancrage et l’étrier. leCette technique peut être appliquée à un système de freinage monté sur un dynamomètre de frein. Des composants de suspension, tels que la broche, le ressort et l'amortisseur, peuvent également être inclus pour simuler les performances du système de freinage dans la voiture.

  Les travaux menés par Nishiwaki et al. (1997) illustrent bien l’intérêt d’une holographie à double impulsion dans l’enquête sur un frein strident. en 1989 [17]. Dans le système de freinage étudié, il était évident que la forme de la forme vibrantele rotor de frein était immobile par rapport à l’étrier de frein. Par conséquent, la forme du mode est également stationnaire par rapport à la zone d'excitation. Le rotor a été modifié en modifiant la symétrie du rotor autour de son axe de rotation. leLes formes de mode du rotor modifié doivent maintenant tourner par rapport à la zone d'excitation, ce qui empêche le rotor de vibrer dans le mode de vibration d'origine.

Fig. 6. (a) Forme expérimentale du mode de pliage; (b) Forme du mode de flexion FEA.

  Méthodes numériques

  L'analyse par éléments finis (FEA) a été utilisée dans l'analyse du crissement des freins. L'analyse modale des composants de freins est un domaine dans lequel la FEA peut être facilement appliquée. La figure 6 (b) montre un modèle à éléments finis d'un rotor de frein. Le modèle, composé de8700 Tet92 éléments solides, a été développé en utilisant un code commercial à éléments finis ANSYS 5.6. Malheureusement, le couplage entre les composants du frein entraîne des modes de vibration différents de ceux trouvés pour les composants individuels. Donc,Le véritable intérêt des chercheurs est de pouvoir modéliser un système de freinage complet.

  Le couplage entre les composants, en particulier l’interface rotor / plaquette, constitue l’aspect essentiel de la modélisation d’un système de freinage complet. La rigidité de contact elle-même est ajustée à l'aide de résultats expérimentaux, mais l'aspect le plus difficileest d'introduire le couplage à friction tangentielle. Liles a inclus le couplage frottant entre le rotor et le patin en diagonale dans la matrice de rigidité et a utilisé une analyse complexe de valeurs propres pour évaluer la stabilité d'un système de freinage [5].

  Une fois que le modèle a été développé, l’effet de divers paramètres tels que le coefficient de frottement, la géométrie des patins et la rigidité de l’épaisseur, peut être déterminé. Dihua et Dongying ont également utilisé une approche similaire pour améliorer la conception d'une ancrecrochet [14]. Les travaux de ces chercheurs et d'autres chercheurs ont montré qu'il était possible de créer des modèles intégrant le couplage par friction entre le rotor et le patin. Cependant, il existe peu de preuves expérimentales pour vérifierla précision de ces modèles. Ils peuvent être utiles pour étudier l’effet de divers paramètres dans le système de freinage, mais leur capacité à modéliser l’importante interface de frottement est limitée. En petites variations de la température de fonctionnement,la pression de freinage, la vitesse du rotor ou le coefficient de frottement peuvent entraîner des propensions ou des fréquences de crissement différentes (Fig. 3 et 4), une prédiction précise du crissement des freins à l’aide de méthodes numériques nécessite une détermination précisepropriétés des matériaux (en particulier pour le matériau de friction) dans différentes conditions de fonctionnement. En outre, une modélisation appropriée des conditions aux limites, en particulier lorsque le couplage entre divers composants est important, reste un problème important.défi.

Défis pour l'avenir

  Actuellement, les recherches sur le crissement des freins sont axées sur des systèmes de freinage ou des mécanismes de génération spécifiques. Le défi pour l’avenir est de pouvoir développer des techniques générales et des directives pour éliminer les cris de frein lors de la conception.étape. Compte tenu de la complexité des mécanismes qui génèrent le crissement des freins, il semble que les directives générales soient encore très éloignées. Pour le moment, il est possible d’atténuer les bruits de crissement pour certains systèmes de freinage, ledes connaissances supplémentaires acquises dans chaque cas, ajoutant à la compréhension globale de la restriction de freinage.

  L'analyse théorique des systèmes de freinage est difficile compte tenu de la complexité des mécanismes et de l'absence d'un modèle adéquat pour l'interface de friction qui provoque le crissement des freins. Toutefois, cela ne devrait pas limiter le développement de procédures simplifiées.des modèles en tant qu’information précieuse peuvent être obtenus. La compréhension obtenue en étudiant des modèles simplifiés peut aider à interpréter les résultats expérimentaux et à développer des outils informatiques améliorés.

  L’application de la FEA au frein du crissement semble offrir certaines promesses. Les progiciels commerciaux sont continuellement améliorés avec des fonctionnalités de modélisation améliorées et les capacités de couplage par friction s'améliorent. Le développement rapideDans les systèmes d'ingénierie assistée par ordinateur, il devrait être possible d'analyser tous les aspects d'un système de freinage, des performances de freinage à l'analyse vibro-acoustique, permettant ainsi aux freins d'être conçus avec une propension minimale à grincer et à casser.performance de freinage souhaitable.

  Les méthodes expérimentales joueront encore un rôle important pour un certain nombre de raisons. Premièrement, ils offrent des outils d’analyse plus efficaces que les méthodes numériques ou purement théoriques. Deuxièmement, le diagnostic de la cause des problèmes de crissement de frein peutsouvent être trouvé que par l'expérimentation. Enfin, la vérification des solutions aux problèmes de crissement et l'applicabilité des modèles FEA ne peuvent être obtenues que par des moyens expérimentaux. En fin de compte, l'élimination future du crissement des freinsseront confirmés par les résultats expérimentaux et les tests finaux des systèmes de freinage.