Etude thermomécanique des disques de frein

Table des matières

Introduction générale

Chapitre I : Etude Bibliographique

I.1. Introduction

I.2. Structure générale d’un système de freinage

I.3. Frein travaillant par frottement

I.3.1. Frein à tambour

I.3.1.1 Principe de fonctionnement

I.3.2. Frein à disque

I.3.2.1. Description d’un disque

I.4. Eléments d’un frein à disque

I.5. Types des étriers

I.5.1. Frein à étrier coulissant

I.5.2. Frein à étrier fixe

I.6. Les types de disque frein

I.7. Autres types de disques et leurs caractéristiques

I.7.1. Les disques rainurés

I.7.2. Les disques percés

I.8. Comparaison entre disque et tambour

I.8.1. Avantages

I.8.2. Inconvénients

I.9. Les plaquettes

I.10. Problème du disque de frein

I.11. Les matériaux du disque de frein

I.11.1. Le disque

I.11.2. Les garnitures

I.11.3. Les supports

I.12. Critère d’évaluation d’un système de freinage

I.12.1. Efficacité

I.12.2. Confort

I.12.3. Endurance

I.12.4 .Autres critères

I.13. Phénomènes thermiques dans le disque

I.14. Phénomènes mécaniques dans le disque

I.15. Matériaux conventionnels : Aciers,Fontes

I.15.1. Acier

I.15.2. Fontes

I.15.3 .Carbone

I.15.4 .Conditions d’utilisation

Chapitre II : Transfert de Chaleur

II.1. Introduction

II.2. Définitions

II.2.1. Champ de température

II.2.2 . Gradient de température

II.2.3 . Flux de chaleur

II.3. Modes de transfert de chaleur

II.3.1. Conduction

II.3.1.1 .Résistance thermique

II.3.1.2 ..Les régimes permanents

II.3.1.3. Les régimes transitoires

II.3.2. Convection

II.3.2.1. Le nombre de Reynolds

II.3.2.2. Le nombre de Nusselt

II.3.2.3 .Le nombre de Prandtl

II.3.3. Rayonnement

II.4 . Stockage d’énergie

II.5 .Les équations gouvernantes du transfert de chaleur transitoire par conduction

II.6. Calcul de flux de chaleur entrant dans le disque

II.6.1. Introduction

II.6.2. Les efforts agissant aux roues lors du freinage

II.6.3 .Puissance de freinage totale

II.6.4 . Expression du flux thermique initial

Chapitre III : Modélisation Thermomécanique du Problème

III.1. Introduction

III.2. La modélisation thermique du problème

III.2.1 .Equation de la chaleur

III.2.2. Forme différentielle

III.2.3 .Forme intégrale faible

III.2.4. Forme discrétisé : éléments finis

III.2.4.1. Représentation élémentaire (ou locale) du champ de températures

III.2.4.2 .Représentation globale du champ de températures

III.2.4.3. Partition des degrés de liberté

III.2.4.4 .Discrétisation de la forme intégrale faible

III.2.4.4.1 .Conditions initiales et conditions aux limites

III.3. Etude mécanique du contact plaquette de frein/disque

III.3.1 .Introduction

III.3.2 .Simulation du problème en ANSYS

III.3.3. Création du modèle sur ANSYS Workbench

III.3.4 .Choix du maillage

III.3.5 .Détermination de la pression de contact

III.3.6. Modélisation du modèle de contact de frein à disque

III.3.6.1. Modélisation du chargement et des conditions aux limites

III.3.6.1.1. Conditions aux limites appliquées au disque

III.3.6.1.2. Conditions aux limites et chargement appliquées aux plaquettes

III.3.7 .Gestion du contact

III.3.8 .Lancement de calcul

III.4. Modélisation du couplage thermomécanique

III.4.1. Introduction

III.4.2. Méthode de la résolution

III.4.3. Formulation du problème

III.4.3.1. Problème thermique

III.4.3.1.1.Flux de chaleur

III.4.3.2. Problème élastique

III.4.4. Analyse en ANSYS Multiphysics

Chapitre IV : Résultats et Discussions

IV.1. Introduction

IV.2. Fiche technique du véhicule choisi

IV.3. Description du disque de frein ventilé et plein et des plaquettes

IV.4. Détermination du coefficient d’échange par convection (h)

IV.4.1. Introduction

IV.4.2 . Modélisation en ANSYS CFX

IV.4.3 . Préparation de la géométrie et du maillage

IV.4.3.1. Domaine fluide

IV.4.3.1.1. Préparation du Maillage

IV.4.3.2. Disque de frein

IV.4.3.3 . Etude du maillage

IV.4.4. Flux d’air en mécanique des fluides

IV.4.5. Equations caractérisant un domaine fluide

IV.4.6. Modèle physique

IV.4.6.1. Etat stationnaire

IV.4.6.1.1 . Initialisation de la turbulence

IV.4.6.1.2. Définition du modèle matériau

IV.4.6.1.3. Définition du modèle Conditions Limites

IV.4.6.1.4 . Application des interfaces de domaine

IV.4.6.1.5. Méthode de résolution transient

IV.4.6.2 . Etat instationnaire

IV.4.7 . Condition temporelles

IV.4.8. Lancement du calcul et affichage écran des données

IV.5 . Analyse des résultats

IV.5.1 .Cas stationnaire

IV.5.2. Cas instationnaire

IV.6. Evolution transitoire de la température du disque

IV.6.1. Introduction

IV.6.2 .Description paramétrique du freinage

IV.6.3 .Maillage ou discrétisation

IV.6.4. Chargement et conditions aux limites

IV.6.5 .Résultats et corrélation

IV.6.5.1. Disque plein

IV.6.5.2. Disque ventilé

IV.6.6 .Comparaison et interprétation

IV.6.6.1 . Comparaison entre les trois types de fonte

IV.6.6.2 . Comparaison entre disque plein et ventilé

IV.6.7 Influence du mode de freinage

IV.6.7.1 Freinage répété

IV.7 .Résultats de calcul mécanique et discussions

IV.7.1. Maillage du modèle

IV.7.2. La déformée totale

IV.7.3. Contraintes équivalentes de Von Mises

IV.7.4 .Champs de contraintes sur les plaquettes de frein

IV.7.4.1 . Plaquette intérieure

IV.7.4.1.1. Répartition du champ des contraintes équivalentes de Von Mises

IV.7.4.1.2 .Répartition du champ de pression de contact

IV.7.4.2 . Plaquette extérieure

IV.7.4.2.1 . Répartition du champ des contraintes équivalentes de Von Mises

IV.7.4.2.2. Répartition du champ de pression de contact

IV.7.5 . Contraintes traction/compression et contraintes de cisaillement dans le disque

IV.7.6 . Cas d’un disque sans rotation

IV.7.7.Cas d’un étrier à double piston

IV.7.8 Résultats des modèles maillés

IV.7.8.1. Influence de la finesse du maillage

IV.7.9 .Influence du matériau des plaquettes

IV.7.9.1. Influence du module de Young des plaquettes

IV.7.9.2. Influence du coefficient de frottement

IV.7.9.3. Influence de la vitesse de rotation du disque

IV.7.9.4 .Cas d’un disque en Acier Inoxydable

IV.7.9.4.1. Comparaison entre le champ des déplacements

IV.7.9.4.2.Comparaison entre le champ des contraintes

IV.7.9.5 .Etude de l’influence de la rainure

IV.8 .Résultats du calcul thermoélastique

IV.8.1. Déformée totale et contraintes de Von Mises du modèle

IV.8.2. Champs des contraintes de Von Mises dans la plaquette intérieure

IV.8.3. Pression de contact

IV.8.4. Déformation du disque

IV.8.5. L’effet parapluie

Conclusion générale et perspectives

Bibliographie

Objectifs et thèmes de recherche

Cette thèse a pour objectif principal la modélisation numérique du comportement thermomécanique des disques de frein automobile afin de prédire leur tenue en fatigue. La recherche se concentre sur l'analyse couplée des phénomènes thermiques (générés par le frottement) et mécaniques (sollicitations liées au contact), en utilisant le logiciel ANSYS 11.0 pour simuler différentes configurations technologiques et matériaux.

• Modélisation numérique du comportement thermomécanique des disques de frein.
• Analyse de l'influence des paramètres thermiques (gradients, flux de chaleur) et mécaniques (contact, pression, frottement).
• Étude paramétrique sur les matériaux (fontes, acier inoxydable) et les géométries (disques ventilés vs pleins, plaquettes rainurées).
• Optimisation de la conception via des techniques numériques pour limiter les risques de dégradation tels que le "fading" ou l'effet parapluie.

Auszug aus dem Buch

Résumé des chapitres

Introduction générale : Présente le cadre de la thèse, l'importance des systèmes de freinage et les objectifs de la modélisation numérique du comportement thermomécanique.

Chapitre I : Etude Bibliographique : Fournit une revue complète des systèmes de freinage, des types de disques et plaquettes, ainsi que des phénomènes thermiques et mécaniques critiques en jeu.

Chapitre II : Transfert de Chaleur : Détaille la formulation analytique du transfert de chaleur, incluant la conduction, la convection et le rayonnement, ainsi que le calcul du flux thermique entrant dans le disque.

Chapitre III : Modélisation Thermomécanique du Problème : Explique la mise en œuvre de la méthode des éléments finis avec le logiciel ANSYS pour modéliser le comportement couplé thermique et mécanique du système.

Chapitre IV : Résultats et Discussions : Analyse et interprète les résultats obtenus, incluant l'influence du maillage, des matériaux, du mode de freinage et du coefficient de frottement sur le comportement du disque.

Mots-clés

Disque de frein, comportement thermomécanique, méthode des éléments finis, Ansys 11.0, contact sec, fonte grise, plaquettes de frein, analyse transitoire, flux de chaleur, contraintes de Von Mises, effet parapluie, fatigue thermique, coefficient de frottement, couplage thermoélastique.

Foire aux questions

Quel est le sujet principal de cette thèse ?

La thèse traite de l'étude numérique du comportement thermomécanique des disques de frein automobiles afin de prédire leur tenue en fatigue lors de sollicitations intenses.

Quels sont les principaux domaines abordés ?

L'ouvrage couvre principalement la thermique (transfert de chaleur, flux de friction), la mécanique (contraintes, déformations, contact sec) et leur couplage thermoélastique.

Quel est l'objectif de la recherche ?

Le but est d'optimiser la conception des disques de frein en utilisant des outils de simulation numérique pour mieux comprendre les phénomènes de dégradation et améliorer les performances des matériaux.

Quelle méthode scientifique est privilégiée ?

L'auteur utilise la méthode des éléments finis (MEF) via le logiciel ANSYS v11.0 pour simuler le comportement complexe des disques et plaquettes.

Que contient le chapitre de résultats ?

Ce chapitre présente des cartographies de température, de contraintes de Von Mises, de déformations et une analyse paramétrique sur l'influence des matériaux et des conditions d'utilisation.

Quels termes définissent le mieux cette étude ?

Les termes clés incluent : comportement thermomécanique, méthode des éléments finis, fonte grise, contact sec, fatigue thermique et couplage thermoélastique.

Qu'est-ce que "l'effet parapluie" mentionné dans le texte ?

C'est une déformation induite par l'échauffement des pistes de frottement qui provoque un déplacement des surfaces, influençant négativement l'efficacité du freinage.

Comment la rainure sur les plaquettes influence-t-elle les résultats ?

La présence de rainures influe sur l'évacuation de la chaleur, des poussières et de l'eau, ayant un impact positif sur les contraintes et déplacements, bien que les variations restent faibles.