Etude des phénomènes de crissement pour les freins automobiles : Modélisation non-linéaire et conception robuste

Study of squeal phenomena for automotive brake systems : Nonlinear modeling and robust design

• Auteur / Autrice : Guillaume Fritz
• Direction : Louis Jézéquel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amortissement (mécanique)

Éléments finis, Méthode des

Freins

Frottement

Mots clés libres

Bifurcation de Hopf

Conception robuste

Résumé

Cette thèse s’articule autour de deux thèmes principaux : la compréhension fine et l’analyse robuste du crissement de frein. Afin de prédire le crissement, une méthodologie linéaire basée sur un modèle éléments finis représentatif d’un frein réel est proposée dans un premier temps. Ce modèle permet de mettre en évidence le concept de coalescence de modes et de le généraliser afin de considérer le crissement comme un phénomène multiparamétrique de couplage de modes. Une étude originale de l’effet de l’amortissement sur la stabilité du système est également réalisée. Dans un second temps, une méthodologie non-linéaire incluant un calcul statique non-linéaire, une linéarisation du problème et une analyse aux valeurs propres complexes est adoptée. L’influence de la position d’équilibre statique sur le comportement dynamique du système est expliquée. Des courbes de coalescence présentant des discontinuités sont mises en évidence. Ces discontinuités dues aux changements de position d’équilibre statique expliquent la nature fugace du crissement lorsque le système est faiblement chargé. Pour concevoir au mieux un système de freinage, il est important de prendre en compte la problématique du crissement au plus tôt dans le processus de conception. Un modèle de conception est proposé et est capable de représenter à moindre coût le comportement nominal du système ainsi que sa variabilité aux paramètres. Ce modèle permet de hiérarchiser les paramètres dimensionnants en fonction de leur impact sur le crissement. Afin d’évaluer les performances du système en prenant en compte la variabilité aux conditions d’utilisation et d’environnement, une démarche nommée matrix test numérique est proposée et permet de balayer toutes les conditions dans lesquelles le système est susceptible d’être utilisé. Une démarche de conception robuste, qui s’appuie sur les matrix tests numériques, est enfin proposée afin de trouver une solution plus performante et plus robuste que la solution initiale vis à vis des différentes dispersions. Cette approche aboutit à une solution qui présente un risque de crissement quatre fois inférieur à la solution initiale.

This study deals with advanced understanding and robust analysis of brake squeal. First, a linear methodology based on the finite element model of an actual brake corner is proposed. This model points out the mode lock-in mechanism, which may be generalized to consider squeal as a multiparametric mode coupling phenomenon. An original study dealing with the effect of damping on the system stability has been conducted. Then, a non-linear methodology including a non-linear static step, a linearization process and a complex eigenvalue analysis is applied. The effect of static position on dynamic behaviour is explained and coalescence curves featuring discontinuities are shown. These discontinuities, which are induced by changes in static position, account for the fugitive nature of squeal when the brake is weakly loaded. It is important to consider squeal upstream in the development process to improve braking systems. A cost effective design model, which is able to reproduce with accuracy the nominal behaviour of the system and its variability to parameters, has been proposed. Thanks to this model, major parameters are ranked with respect to their effet on squeal. In order to assess the system performance considering operative and environment parameters, a numerical matrix test methodology has been proposed and sweeps all the conditions the brake may face. A robust design approach based on numerical matrix tests has been undertaken to find a more competitive and more robust solution.