Compréhension des mécanismes de dégradation de disques de frein pour véhicule «poids lourd

182 Pages·2013·18.01 MB·French

by  Mathilde Collignon

N° d’ordre : 214

ECOLE CENTRALE DE LILLE

THESE

présentée en vue
d’obtenir le grade de

DOCTEUR

en

Spécialité : MECANIQUE

par

Mathilde COLLIGNON

DOCTORAT DELIVRE PAR L’ECOLE CENTRALE DE LILLE

Titre de la thèse :

COMPREHENSION DES MECANISMES DE DEGRADATION DE DISQUES DE FREIN
POUR VEHICULE « POIDS LOURD »
ET DEFINITION DE NOUVELLES SOLUTIONS MATERIAUX

Soutenue le 21 janvier 2013 devant le jury d’examen :

Président Pierre Montmitonnet, Directeur de recherche, CEMEF, Sophia Antipolis
Rapporteur Yves Bienvenu, Professeur, Ecole des Mines de Paris, ParisTech
Rapporteur Farhad Rezai-Aria, Professeur, Ecole des Mines d’Albi-Carmaux
Examinateur Yan-Ming Chen, Ingénieur, CETIM, Senlis
Co-encadrant Anne-Lise Cristol, Maître de conférences, Ecole Centrale de Lille
Co-encadrant Philippe Dufrénoy, Professeur, Université Lille 1, Polytech’Lille
Directeur de thèse David Balloy, Maître de conférences HDR, Ecole Centrale de Lille
Directeur de thèse Yannick Desplanques, Professeur, Ecole Centrale de Lille
Invité Gilles Regheere, Ingénieur, CTIF, Sèvres

Thèse préparée dans le Laboratoire de Mécanique de Lille
Ecole Doctorale SPI 072 (Lille I, Lille III, Artois, ULCO, UVHC, EC Lille)
PRES Université Lille Nord-de-France

REMERCIEMENTS
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été menés au Laboratoire de Mécanique de Lille,
au sein de l’équipe de recherche Freinage Contact Surface dirigée par M. Desplanques, et au
Centre Technique des Industries de la Fonderie dirigé par M. Malle. Je tiens à les remercier de
m’avoir accueilli dans leur établissement respectif et d’avoir mis à ma disposition tous les
moyens nécessaires à la réalisation de mes travaux.

Ce travail a été dirigé par Yannick Desplanques et David Balloy. Je tiens à les remercier de
m’avoir accompagné durant ces trois années de thèse, d’avoir su me guider dans mes travaux
et de m’avoir transmis leur savoir. Je les remercie également pour tous les bons moments
passés ensemble durant ces trois ans.

Je remercie Monsieur Pierre Montmitonnet d’avoir présidé mon jury de thèse ainsi que
Monsieur Yves Bienvenu et Monsieur Farhad Rezaï-Aria d’avoir accepté d’être les
rapporteurs de ce travail. Je remercie aussi Monsieur Yan-Ming Chen d’avoir accepté d’être
examinateur de mon travail.

Cette thèse s’est déroulée dans le cadre d’une convention CIFRE entre le LML et le CTIF.
J’ai donc travaillé avec de nombreuses personnes, qui ont toutes contribué à la réussite de ce
travail.

Je souhaite donc remercier chaleureusement :

Gilles Regheere, Ingénieur chef de projet au CTIF, pour m’avoir transmis toutes ses
connaissances sur les fontes et la fonderie en générale, et m’avoir accompagné pendant ces
trois années et quelques mois. Je remercie également Olivier Mouquet pour toutes nos
discussions intéressantes. Je garderai un très bon souvenir de ces trois années passées avec
vous et les collègues du CTIF.

Anne-Lise Cristol, Maître de Conférence, merci pour tous les bons moments partagés
ensemble pendant ces trois années inoubliables! Merci pour tous tes conseils avisés et toutes
nos discussions, je suis ravie d’avoir été ton Padawan et fière d’être devenue un Maître Jedi !

Philippe Dufrénoy, Professeur à Polytech’Lille, pour toutes nos discussions, parfois
animées, et ton regard toujours pertinent sur mon travail.

Davis, Kévin, Martin, Loïc, Florent, Amavi, Alexandre, Romain, Emmanuel, Pierre,
Andrea, et tous mes collègues chercheurs et doctorants du LML pour avoir partagé cette
aventure avec moi.

Tous mes proches et amis pour m’avoir soutenu dans ce projet.

Je remercie enfin mes parents pour leur soutien inconditionnel et mon compagnon, Philippe,
pour m’avoir conseillé et encouragé dans les bons moments comme les plus difficiles.

TABLE DES MATIERES

Introduction 9
Chapitre I : Problématique
I.1. Contexte industriel 12
I.1.1 Système de freinage 13
I.1.2 Conditions d’utilisation multiples 14
I.1.3 Couple de matériaux actuels 14
I.2. Contexte scientifique 22
I.2.1 Aspects thermomécaniques 22
I.2.2 Aspects tribologiques 25
I.2.3 Aspects endommagement 30
I.2.4 Expertise de disques de frein endommagés en service 35
I.2.5 Solutions matériaux existantes et voies d’amélioration 37
I.3. Conclusion et stratégie d’étude 35

Chapitre II : Etude des sollicitations de freinage poids lourd
II.1. Situations de freinage rencontrées en service 46
II.2. Définition d’un protocole expérimental 47
II.2.1 Dispositif expérimental 47
II.2.2 Reproduction de freinages sur banc 48
II.2.3 Protocole expérimental 53
II.2.4 Conclusion partielle 54
II.3. Analyse expérimentale de la sévérité des sollicitations thermiques 55
II.3.1 Localisations thermiques au cours d’un freinage d’arrêt 55
II.3.2 Gradients thermiques de surface 60
II.3.3 Températures de masse et gradients thermiques dans l’épaisseur de la piste 62
II.3.4 Conclusion partielle 64
II.4. Analyse numérique en thermomécanique 65
II.4.1 Modèle numérique 65
II.4.2 Sévérité des sollicitations 74
II.4.3 Conclusion partielle 77
II.5. Mécanismes de dégradation 78
II.5.1 Dégradation en surface 78
II.5.2 Dégradation de la microstructure 81
II.5.3 Comparaison avec l’expertise d’un disque usagé en service 85
II.6. Conclusion du chapitre 85
Chapitre III : Etude tribologique
III.1. Fabrication des disques d’essais et caractérisation des matériaux 89
III.1.1 Procédé de fabrication 89
III.1.2 Composition chimique et microstructure 93
III.1.3 Propriétés thermophysiques 98
III.2. Démarche expérimentale sur tribomètre 103
III.2.1 Dispositif expérimental 103
III.2.2 Sollicitations de freinage 105
III.2.3 Protocole 107
III.3. Comportement en freinage d’arrêt 111
III.3.1 Analyse complète d’un freinage d’arrêt 111
III.3.2 Comparaison du comportement en freinage d’arrêt des trois disques 115
III.4. Comportement en freinage répété 124
III.4.1 Analyse complète d’une succession de freinage de ralentissement 122
III.4.2 Comparaison du comportement en freinage répété des trois disques 126
III.5. Expertise 130
III.5.1 Analyse du troisième corps 130
III.5.2 Dégradation de la microstructure 138
III.6. Conclusion du chapitre 142

Chapitre IV : Etude en cyclage thermique
IV.1. Définition de l’essai 144
IV.1.1 Roue de cyclage thermique 144
IV.1.2 Définition de l’essai par modélisation numérique 145
IV.1.3 Essai préliminaire 151
IV.1.4 Conclusion sur l’essai 156
IV.2. Expertise comparée des trois matériaux 157
IV.2.1 Observations en surface 157
IV.2.2 Profondeur des fissures macroscopiques 159
IV.2.3 Transformations microstructurales 161
IV.3. Conclusion du chapitre 168

Conclusion générale 169
Bibliographie 173
Annexes 179
Annexe A : Etude du frottement en freinage de maintien. Couplage avec la formation de
points chauds 179
Annexe B : Géométrie des disques d’essais sur tribomètre 181
INTRODUCTION GENERALE
Les disques de frein font partie des organes les plus sévèrement sollicités sur les véhicules « poids
lourds ». La raison en est une masse élevée à freiner qui demande au système de freinage de dissiper
des énergies considérables, qui peuvent atteindre deux mégajoules par disque de frein en seulement
quelques secondes. Ainsi, le disque de frein constitue un enjeu de maintenance, et donc de
disponibilité du véhicule. Actuellement, la durée de vie des disques de frein est comprise entre
250 000 et 500 000 km. L’une des principales causes de remplacement des disques de frein est bien
connue : la fissuration par fatigue thermique en frottement. Cependant, il est difficile de connaître les
sollicitations de freinage qui conduisent à la dégradation des disques. En effet, le nombre de
kilomètres parcourus avant le remplacement des disques dépend de nombreux facteurs, tels que le type
de transport, le chargement ou encore la conduite. De plus, peu d’informations sont disponibles
compte tenu de la confidentialité des études le plus souvent portées ou réalisées par des grands
groupes industriels. Enfin, du point de vue du freinage, l’homologation des essieux de véhicule poids
lourd concerne uniquement la sécurité et donc l’efficacité de freinage, sans fournir d’éléments ou de
critères vis-à-vis de la durabilité de l’équipement.
Le secteur des équipementiers pour véhicules poids lourd est très concurrentiel et nécessite de
proposer des solutions toujours plus performantes. Dans ce contexte, la Société Ardennaise d’Essieux,
SAE, (ex-GIGANT France, quatrième fabricant d’essieux pour véhicules poids lourd), envisage de
proposer un essieu sans maintenance avec une longévité de l’ordre du million de kilomètres. Le disque
de frein a été identifié comme étant le composant de l’essieu de plus faible durée de vie. Le disque
étant confiné au sein du système de frein, de fortes contraintes liées à l’encombrement du disque
limitent les modifications de géométrie. Ainsi, l’amélioration de la durée de vie des disques de frein de
poids lourd est envisagée par le développement de nouveaux matériaux.
Pour réaliser ce projet de recherche, la Société Ardennaise d’Essieux a fait appel au Centre Technique
des Industries de la Fonderie (CTIF) et a donné lieu à cette thèse, dans le cadre d’une collaboration
associant les compétences du CTIF, en fonderie et métallurgie, à celles du Laboratoire de Mécanique
de Lille, en freinage. Le CTIF, qui est un centre de recherche et développement spécialisé en fonderie,
a deux missions principales : la recherche et développement et des prestations de service aux
entreprises. Son expérience, notamment dans le développement de fontes spéciales et l’expertise de
disques de frein de poids lourd, constitue un socle de connaissances permettant de proposer de
nouvelles solutions matériaux pour le freinage. Le Laboratoire de Mécanique de Lille, et en particulier
l’équipe Freinage Contact Surfaces, travaille depuis de nombreuses années sur les phénomènes
physiques induits par frottement en freinage et conduisant notamment à la fissuration des disques de
frein. L’équipe s’intéresse particulièrement à la compréhension des couplages multiphysiques et
multiéchelles, nécessitant des compétences pluridisciplinaires en matériaux, tribologie, thermique,
thermomécanique, dynamique et en caractérisation de surface.
Pour développer de nouvelles solutions matériaux, il apparaît primordial de connaître les sollicitations
qui conduisent à la dégradation des disques de frein. Il est clair que les essais sur véhicule impliquent
des difficultés de mise en œuvre et d’exploitation des résultats qui ne permettent pas d’accéder
facilement à la sollicitation du disque de frein ni d’étudier le comportement de nouveaux matériaux.
La démarche adoptée dans cette thèse repose donc sur deux volets : une caractérisation originale des
sollicitations de freinage poids lourd conduisant à la dégradation des disques de frein et une méthode
d’étude en laboratoire du comportement des matériaux qui prend en compte la dimension
multiphysique du freinage, thermique, thermomécanique et tribologique. La méthodologie privilégie
9
Introduction générale

des approches modèle-expérience, permettant notamment de comprendre les phénomènes de
localisations thermiques, qui constituent un point clé pour aborder les problèmes de fatigue, de
fissuration et d’usure des composants.
Ce mémoire est structuré en 4 chapitres.
Le chapitre I expose la problématique industrielle et scientifique du freinage. Il présente le système
de freinage par friction des véhicules poids lourd et le couple de matériaux disque en fonte à graphite
lamellaire-garniture en matériau composite à matrice semi-métallique. Les principaux phénomènes et
couplages induits en freinage ainsi que leurs conséquences sur la dégradation du disque sont
développés, en s’appuyant sur une bibliographie ainsi que sur une expertise de disques usagés en
service. L’analyse de solutions matériaux existantes, pour les disques de frein et d’autres applications
similaires en fonderie, a conduit à proposer deux nouvelles fontes qui sont étudiées en comparaison
avec la fonte à graphite lamellaire actuellement utilisée.
Le chapitre II développe une approche modèle – expérience originale dans le but de caractériser des
sollicitations de freinage de poids lourd conduisant à la dégradation des disques. Différentes situations
de freinage ont été reproduites lors d’une campagne d’essais sur banc à l’échelle 1. Les résultats
expérimentaux et numériques permettent d’évaluer la sévérité des sollicitations et sont confrontés à
une expertise de la dégradation du disque consécutive aux essais.
Le chapitre III présente la fabrication, la caractérisation et l’étude du comportement tribologique des
trois fontes étudiées. Les performances en freinage des couples disque-garniture semi-métallique sont
étudiées par le biais d’une campagne d’essais sur tribomètre de freinage, en considérant des conditions
de freinages d’arrêt de sévérité croissante et de freinages répétés conduisant à un cumul de chaleur. La
dégradation des matériaux est évaluée.
Le chapitre IV se concentre sur le comportement en cyclage thermique des fontes étudiées. Une
approche modèle-expérience permet de concevoir un essai discriminant de cyclage thermique en lien
avec les sollicitations de freinage sévère rencontrées à l’échelle 1. La comparaison du comportement
en cyclage thermique des trois fontes est réalisée par le biais de cet essai. La dégradation des
matériaux est évaluée.
Le mémoire se conclut sur les principales avancées et perspectives, scientifiques comme techniques.
Cette thèse a donné lieu à une convention CIFRE entre le Centre Technique des Industries de la
Fonderie (CTIF) et le Laboratoire de Mécanique de Lille. Elle bénéficie également d’un soutien
financier de la Région Champagne-Ardenne et du FEDER dans le cadre du projet NANOSURF, dont
l’objectif est d’améliorer la durée de vie de pièces métalliques par un procédé de SMAT (Surface
Mechanical Attrition Treatment). Elle s’inscrit dans le sous-projet « Amélioration de la durée de vie de
disques de frein de poids lourds ».

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