Analyse du crissement de frein (Brake Squealing) sous PERMAS

VIBROACOUSTIQUE   |  Publié le 07 Avril 2022

Le crissement est un phénomène connu depuis l'utilisation des freins.

Malgré des recherches intensives sur ce sujet pendant plusieurs décennies, il y a encore des nouvelles voitures qui arrivent sur le marché avec des freins dont le crissement est tellement fort que cela se termine avec des coûteux retours en garantie pour les constructeurs. Cela vaut non seulement pour les voitures particulières mais aussi pour les véhicules utilitaires et les camions, de même pour les wagons, les freins d'avions ou encore les bicyclettes.

En plus des freins à disque, les freins à tambour et les embrayages sont également concernés.

Avantages et points forts

La simulation par éléments finis de systèmes de freinage doit prendre en compte plusieurs effets importants, couvrir l'ensemble de la plage d'utilisation en fonctionnement via des variations de paramètres et fournir des méthodes (comme l'optimisation) pour en améliorer la performance. Le solveur PERMAS propose :


• des temps de calcul significativement plus courts - mieux que ceux que vous pourriez espérer -(nous acceptons le défi: info@intes.de),


• des coûts logiciels (occupation licence) plus bas, des coûts machine à la baisse, des cycles de production plus rapides avec beaucoup plus de variantes testées, une meilleure compréhension du comportement du concept avec de meilleurs produits dans des délais plus courts,


• des algorithmes de contact spécialement pensés et conçus pour de très grands modèles,


• analyse aux valeurs propres complexes (CEA : Complex Eigenvalue Analysis) avec prise en
compte d'un 'vrai' amortissement fréquentiel,


• accélération de l'analyse des variantes et des boucles d'optimisation grâce à un préconditionnement
du solveur dédié au contacts,


• échantillonnage/tirage intégré pour faire varier tous les paramètres importants avec des algorithmes additionnels spécialement dédiés aux variations de la vitesse de rotation et du coefficient de frottement, permettant ainsi des études paramétriques peu coûteuses en temps d’exécution supplémentaire mais qui apportent beaucoup d'informations complémentaires sur le
comportement du concept,


• méthodes d'optimisation disponibles pour les systèmes de freins : optimisation topologique, paramétrique et de forme,


• réduction du crissement par de l'optimisation paramétrique et de forme


• des développements en continu pour la simulation de systèmes de freinage, avec de nouvelles méthodes bientôt disponibles dans la prochaine version de PERMAS.

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Modèle de frein simplifié (1) avec un
mode instable de flexion (m=2, n=1) à 2,54 tour/s

Présentation

Bien qu'il n'y ait pas de limite avec les approches numériques pour simuler le crissement de frein, la complexité numérique de ce phénomène a empêché l'utilisation massive de la simulation dans ce domaine à cause des temps de calcul trop longs.


Tant qu'un jeu de paramètres pour un frein nécessite plusieurs heures de calcul, il est pratiquement impossible d'étudier des modifications géométriques pour obtenir une configuration qui ne présente pas de crissement dans toutes les conditions typiques de fonctionnement.


Le crissement du frein est largement compris comme étant une instabilité dynamique induite par le frottement. Par conséquent, deux approche principales sont disponibles: l'analyse transitoire et l'analyse modale complexe. En raison du coût de calcul très élevé pour les analyses transitoires, cette instabilité est dans les faits plus souvent étudiée par un calcul de modes complexes.

 


L'analyse peut être décomposée selon les étapes suivantes :


• Un calcul statique linéaire avec contact et frottements sous la pression de freinage et la rotation.
Pour cela, le glissement entre le disque et la garniture du frein peut être modélisé par un mouvement de corps rigide afin de déterminer la vitesse de glissement.


• Un calcul vibratoire en modes réels utilisant l'état de contact calculé précédemment. Cela nécessite un modèle linéarisé pour l'état de contact obtenu par un verrouillage des contacts actifs.


• Une analyse en modes complexes avec les termes additionnels en frottement et en rotation. Les termes gyroscopique et de raideur sont alors pris en compte en considérant le disque comme étant une structure élastique en rotation exprimée dans le référentiel fixe. Des termes additionnels de raideur et d'amortissement sont dérivés de l'état de contact avec frottement calculé précédemment lors de l'analyse statique.


Les instabilités sont détectées lors de l’analyse des modes complexes, si la partie réelle d'une valeur propre complexe devient positive ou si le ratio d'amortissement effectif devient négatif.


L'analyse de modes complexes est effectuée en un seul calcul pour l'ensemble des vitesses de rotation considérées. Par ce balayage, tous les points significatifs d'instabilité sont mis en évidence pour un jeu de paramètres du frein. Des calculs successifs sont alors effectués pour étudier les modifications de paramètres afin d'établir une carte de stabilité pour tous les effets d'influence importants.

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