Étude tribologique de couples de matériaux sous sollicitations de freinage très sévères : application à un frein ferroviaire à performances améliorées

par Olivier Roussette

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Gérard Degallaix et de Yannick Desplanques.

Soutenue en 2005

à Lille 1 .

mots clés

• Tribologie (technologie)
• Matériaux de frottement -- Effets de la température
• Chemins de fer -- Matériel roulant -- Freins à disque
• Composites polymères
• Thermographie
• Freins -- Refroidissement
• Mécanique du contact

Résumé

En freinage ferroviaire, l' augmentation continue des énergies et puissances de freinage nécessite d amellorer les capacItés des differents systemes existants. Ces conditions d'exploitation de plus en plus contraignantes imposent notamment d'étudier le comportement tribologique des couples de matériaux de friction utilisés dans les freins à disque sous sollicitation de freinage très sévère. Cette thèse traite de l'étude tribologique menée dans le cadre du développement d'un Frein A Performances Améliorées (FAPA) par le refroidissement actif du patin. Ce concept implique l'inversion des matériaux du disque et du patin afin de diriger le flux dissipé vers le patin. L'étude, qui repose sur des essais à échelle réduite sur un tribomètre de freinage, comporte trois parties. La première partie concerne la représentativité des essais à échelle réduite compte tenu de la sévérité de la sollicitation thermique. Des règles de changement d'échelle sont développées et validées expérimentalement. La seconde partie concerne la caractérisation tribologique de plusieurs couples de matériaux, tant en configuration classique (disque métallique - patin composite à matrice organique (CMO)) qu'en configuration inverse (disque CMO - patin métallique). Elle a permis d'étudier d'une part l'influence de l'inversion des matériaux et d'autre part l'emploi de matériaux métalliques à haute diffusivité thermique. La troisième partie, à caractère plus fondamental, concerne l'influence de la composition du matériau CMO sur le comportement tribologique et la compréhension des mécanismes physiques de frottement activés en freinage. Un 3ème corps, essentiellement composé de plaques planes et de lits de poudre, est mis en évidence. Le circuit tribologique proposé présente un caractère général, valable pour l'ensemble des matériaux étudiés. Le caractère transitoire du freinage est étudié à partir d'essais interrompus et de l'observation in situ en thermographie de la piste de frottement. Les phénomènes physiques de frottement sont corrélés aux phénomènes de localisation thermique

Titre traduit

Tribological study of pairs of materials under severe braking loadings : application to a railway brake with improved performances

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