Méthodologies de simulation des bruits automobiles induits par le frottement

par Alex Elmaian

Thèse de doctorat en Acoustique

Sous la direction de François Gautier, Charles Pézerat et de Joël Gilbert.

Soutenue le 27-05-2013

à Le Mans , en partenariat avec Laboratoire d'acoustique de l'Université du Maine (Le Mans) (laboratoire) .


  • Résumé

    Les bruits automobiles induits par le frottement sont à l’origine de nombreuses plaintes clients et occasionnent des coûts de garantie considérables pour les constructeurs automobiles. Les objectifs de la thèse consistent à comprendre la physique à l’origine de ces bruits et proposer des méthodologies de simulation afin de les éradiquer. Un système générique est tout d’abord étudié. Ce système discret met en jeu un contact entre deux masses et une loi de frottement de Coulomb présentant une discontinuité à vitesse relative nulle. Des calculs de valeurs propres complexes de ce système linéarisé autour de sa position d’équilibre glissant sont menés et montrent la présence d’instabilités par flottement voire par divergence. Les simulations temporelles montrent quant à elles que les non-linéarités de contact permettent de stabiliser les niveaux vibratoires en cas d’instabilité selon quatre régimes distincts. De plus, malgré ses trois degrés de liberté, ce système est capable de reproduire les mécanismes de stick-slip, sprag-slip et couplage modal ainsi que les bruits de crissement, grincement et craquement rencontrés sur les systèmes automobiles. Des études paramétriques sont également présentées et mettent en avant des bifurcations de Hopf ainsi que l’effet déstabilisant potentiellement induit par l’amortissement. Des méthodologies permettant de catégoriser les réponses en termes de bruit et de mécanisme sont par la suite proposées. Les occurrences et risques de ces derniers sont alors analysés et des tendances sont dégagées. Enfin, la relation entre les bruits et les mécanismes est établie. L’attention est ensuite portée sur un système automobile particulier. Afin d’étudier son comportement crissant, les analyses de stabilité et les simulations temporelles sont désormais menées sur des modèles éléments-finis. Les simulations temporelles permettent d’observer l’établissement de vibrations auto-entretenues et d’identifier, parmi tous les modes instables prédits lors des analyses de stabilité, celui qui est réellement à l’origine de l’instabilité. L’effet du coefficient de frottement sur les motifs de coalescence et les cycles limites est également investigué. Le risque de crissement est ensuite évalué pour des conditions d’utilisation variées du système. La méthodologie, basée sur des analyses de stabilité, permet de retrouver les principaux constats expérimentaux obtenus sur banc d’essai. Le rôle des géométries et des matériaux constituant le système est également discuté. Enfin, une solution permettant de réduire de façon significative le risque de crissement est proposée.

  • Titre traduit

    Méthodologies de simulation des bruits automobiles induits par le frottement


  • Résumé

    Automotive friction-induced noises are the source of many customer complaints and lead to hugewarranty costs for car manufacturers. The objectives of the thesis are to improve the understanding ofthe physics at the origin of these noises and to propose numerical methodologies to eradicate them.A generic system is first investigated. This discrete system includes a contact between two masses anda Coulomb friction law with a discontinuity at zero relative velocity. Calculations of complex eigenvaluesof the linearized system around its sliding equilibrium position are carried out and show the presence offlutter and even divergence instabilities. Time simulations show that contact non-linearities permit tostabilize the vibrational levels in case of instability according to four distinct behaviors. Furthermore,despite its three degrees of freedom, this system is able to reproduce the stick-slip, sprag-slip and modecouplingmechanisms as well as the squeal, squeak and creak noises encountered in automotive systems.Parametric studies are also presented and highlight Hopf bifurcations as well as the destabilizing effectpotentially induced by damping. Methodologies allowing the categorization of the responses in termsof noise and mechanism are then proposed. Occurrences and risks of these noises and mechanismsare thus analyzed and trends are highlighted. The relationship between noises and mechanisms is alsoestablished.A specific automotive system is then considered. In order to study its squeal behavior, stabilityanalysis and time simulations are now carried out on finite element models. Time simulations allowto observe the establishment of self-excited vibrations and to identify, among all the unstable modespredicted by the stability analysis, the one which is actually the source of the instability. The effectof friction on the coalescence patterns and limit cycles is also investigated. The risk of squeal is thenevaluated in different operating conditions. The methodology, based on stability analysis, leads toresults in good agreement with the experimental observations. The role of geometries and materialsconstituting the system is also discussed. Finally, a solution with significantly low risk of squeal isproposed.


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