Origine tribologique du crissement d'un contact verre-élastomère : Application aux systèmes automobiles d'essuyage

• Auteur / Autrice : Fabien Dalzin
• Direction : Alain Le Bot, Denis Mazuyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 31/08/2015
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Sergio Ciliberto
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Cochelin, Frédéric Bretagnol
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antoine Chateauminois, Charles Pézerat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Frottement

Essuie-glaces

Mots clés libres

Contact verre-élastomère

Crissement

Essuie-glaces

Elastomer/glass contact

Squeal noise

Wiper

Résumé

Ce mémoire présente une étude expérimentale et numérique sur le crissement du contact verre/élastomère lubrifié à l’eau, avec pour application le bruit des essuie-glaces. Le crissement provient d’une vibration auto-entretenue de l’échantillon d’élastomère sur l’un de ses modes. Des expériences menées à vitesse stabilisée montrent qu’il existe trois régimes de frottement. À basses vitesses, le frottement est constant et élevé malgré le lubrifiant : c’est le régime limite. À hautes vitesses, la formation d’un film hydrodynamique assure un frottement faible. La transition a lieu à des vitesses intermédiaires où le frottement décroît fortement avec la vitesse de glissement : c’est le régime mixte. On observe que la vibration auto-entretenue n’apparaît que durant le régime mixte. Un modèle masse-ressort-amortisseur à un degré de liberté permet de rendre compte de ces observations : le système est instable lorsque la pente du coefficient de frottement avec la vitesse est négative et supérieure à un seuil relié à l’amortissement interne de l’élastomère. L’instabilité est de type stick-slip et son apparition est bien prédite quantitativement par ce critère de stabilité. Le mécanisme générant l’instabilité est donc d’origine tribologique et sa compréhension requiert un examen approfondi du contact au cours de la transition. Les observations directes du contact par microscopie montrent que le contact élastomère/verre lubrifié est hétérogène et composé d’une multitude de spots. On divise le contact en trois familles : les spots de contact sec (sans aucun film d’eau entre l’élastomère et le verre), le contact intermédiaire caractérisé par un mince film d’eau entre l’élastomère et le verre, et une zone totalement lubrifiée. On propose une loi de frottement de type additive prenant en compte la contribution de ces trois familles. La composante de frottement sec est proportionnelle à l’aire des spots secs. Une composante d’origine capillaire, causée par la présence de ponts capillaires dans le contact, est proportionnelle au périmètre du contact intermédiaire. La composante hydrodynamique est toujours négligeable.

This thesis presents a study about the squeal noise induced by a lubricated elastomer/glass contact. The industrial application of this work, based on experimental and numerical approaches, is the wiper blade squeal noise. The hearing squeal noise is caused by a self-induced vibration of the elastomer sampled on one of its mode. Experiments produced for different sliding speeds reveal three regimes of friction. At low speeds, friction coefficient is constant and high : this is the boundary regime. For high speeds, the forming of an hydrodynamic film between the elastomer and the glass induces a low friction coefficient. The transition occurs for intermediate speeds for which the friction strongly decreases with the sliding speed : this is the mixed regime. One observes that the self-induced vibration is present only during the mixed regime. A model, based on a single degree-of-freedom mass-spring-damper oscillator submitted to a velocity-dependent frictional force, allows to understand these observations : the system is unstable when the variation of the friction coefficient according to the sliding velocity is negative and higher than a threshold depending on the elastomer intrinsic material damping. The instability is stick-slip kind, and its occurrence is well predicted using this stability criterion. Thus the origin of the instability is tribological and its full understanding needs the consideration of the contact evolution during the transition. Direct contact observations by microscope show that the lubricated elastomer/glass contact is heterogenous and composed of a multitude of spots. The contact is divided in three families : dry contact spots (without any lubricated water film between elastomer and glass), the intermediate contact defined by a thin film layer between elastomer and glass, and a totally lubricated zone. Using these three kinds of contact spots, an additive friction law is established. Friction component associated with dry contact depends on dry spots area. Intermediate contact generates capillary force, caused by the presence of capillary bridges in the contact. The associated force depends on the intermediate contact perimeter. The hydrodynamic component is always negligible.