Brevet FR2917495A1 — publié le 20081219

Procédé et installation permettant de déterminer des couples de matériaux susceptibles de générer entre eux du bruit par frottement. La présente invention concerne un procédé et une installation permettant de déterminer des couples de matériaux qui, associés entre eux, sont susceptibles de générer entre eux du bruit par frottement. L'amélioration toujours croissante de l'isolation phonique des véhicules a conduit à mettre en évidence les bruits spécifiques à l'habitacle. Ces bruits sont en partie causés par des phénomènes de frottement. Lors d'une prise de décision quant à l'utilisation ou non d'un couple de matériaux, il est donc essentiel d'avoir une vision fiable des risques potentiels en terme de bruit engendré par frottement. Il est par conséquent souhaitable de disposer d'une méthode d'analyse et d'un moyen de contrôle des matériaux afin d'évaluer le risque potentiel de bruit par frottement (phénomène de stick-slip). Les différentes méthodes et moyens d'essais utilisés pour la caractérisation du bruit engendré par frottement du type stick-slip sont très spécifiques, de ce fait, les résultats obtenus portent la signature de la méthode et du moyen d'essai et ne sont pas des données fiables et universelles. A cet effet, différentes méthodes d'analyse ont été étudiées, à savoir : - les méthodes d'analyses acoustiques basées sur la reproduction des bruits, - les méthodes d'analyses vibratoires basées sur la reproduction des oscillations. Ces méthodes établissent un classement des matériaux dont la hiérarchie est assujettie à la masse et la raideur des pièces et du moyen d'essai. L'avis issu de ces méthodes n'a donc pas le caractère absolu d'une donnée matériau. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients des solutions connues. Ce but est atteint selon l'invention grâce à un procédé permettant de déterminer des couples de matériaux qui, associés entre eux, sont susceptibles de générer du bruit par frottement, caractérisé par les étapes suivantes : - on met en contact deux éprouvettes des matériaux à tester, on soumet l'une des éprouvettes à un mouvement alternatif de translation par rapport à l'autre éprouvette pour que l'une des éprouvettes frotte sur l'autre éprouvette, on fait varier la vitesse de glissement de l'une des éprouvettes par rapport à l'autre éprouvette, on mesure les efforts de frottement pour différentes vitesses de glissement, - on calcule à partir de ces efforts de frottement, les coefficients de frottement, - on établit la courbe de l'évolution des coefficients de frottement en fonction de la vitesse et à partir de l'allure de cette courbe, - on apprécie si le couple des matériaux testés est susceptible de générer du bruit par frottement. De préférence, on détermine pour chaque vitesse de glissement la moyenne de l'effort de frottement. De préférence également : lorsque la courbe montre que le coefficient de frottement augmente en fonction de la vitesse ou reste constante, on considère que le couple des matériaux testés n'est pas susceptible de générer du bruit par frottement, et -lorsque la courbe montre, au contraire, que le coefficient de frottement diminue en fonction de la vitesse, on considère que le couple des matériaux testés est susceptible de générer du bruit par frottement et on préconise de ne pas utiliser ce couple de matériaux. Cette façon de procéder, permet de sélectionner ou d'éliminer d'une manière précise et fiable des couples de matériaux. Selon un autre aspect de l'invention, l'installation pour la mise en oeuvre du procédé est caractérisée en ce qu'elle comprend : un chariot posé sur un plateau horizontal, l'une des extrémités du chariot étant en appui contre une butée, une première éprouvette fixée sur le chariot, une seconde éprouvette posée sur la première éprouvette, cette seconde éprouvette étant fixée à un bras articulé à un support, ce support étant relié à l'extrémité de la tige d'un vérin dont l'axe est aligné avec le bras, ce vérin étant piloté pour déplacer le bras et la seconde éprouvette selon un mouvement de translation alternatif, un capteur d'effort inséré entre le chariot et la butée. De préférence, l'installation comprend un système de pilotage 5 capable d'assurer les fonctions suivantes : régler les paramètres de mesure et de pilotage, déclencher et stopper le mouvement du vérin, régler la vitesse de translation du vérin, mesurer les efforts de frottement à partir des signaux délivrés par 10 le capteur d'effort, mesurer la position du vérin, filtrer les signaux de mesure, calculer les coefficients de frottement entre les éprouvettes testées, 15 - stocker les données. Selon une réalisation avantageuse de l'installation, le système de pilotage comprend un PC capable de déterminer et d'afficher la courbe de l'évolution du coefficient de frottement en fonction de la vitesse de translation du vérin. 20 De préférence, le vérin est piloté pour se déplacer à des vitesses constantes de 0,01. mm/s à 10 mm/s. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore tout au long de la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples, non limitatifs : 25 - la figure 1 est une vue schématique d'ensemble de l'installation selon l'invention, la figure 2 est une courbe montrant l'évolution de la vitesse de déplacement du vérin et de la force de frottement lors d'un aller-retour du vérin, 30 - les figures 3, 4 et 5 montrent trois allures de courbe montrant l'évolution du coefficient de frottement en fonction de la vitesse de glissement. L'installation représentée sur la figure 1 comprend : - un chariot 1 posé sur un plateau horizontal 2, l'une des 35 extrémités du chariot 1 étant en appui contre une butée 3, - une première éprouvette 4 fixée sur le chariot 1, - une seconde éprouvette 5 posée sur la première éprouvette 4, cette seconde éprouvette 5 étant fixée à un bras 6 articulé à un support 7, ce support 7 étant relié à l'extrémité de la tige 8 d'un vérin 9 dont l'axe est aligné avec le bras 6, - ce vérin 9 étant piloté pour déplacer le bras 6 et la seconde éprouvette 5 selon un mouvement de translation alternatif, un capteur d'effort 10 inséré entre le chariot 1 et la butée 3. L'installation comprend de plus un système de pilotage capable d'assurer les fonctions suivantes : régler les paramètres de mesure et de pilotage, - déclencher et stopper le mouvement du vérin 9, régler la vitesse de translation du vérin 9, mesurer les efforts de frottement à partir des signaux délivrés par le capteur d'effort 10, mesurer la position du vérin 9, filtrer les signaux de mesure, - calculer les coefficients de frottement entre les éprouvettes testées 4, 5, - stocker les données. Dans l'exemple représenté, le système de pilotage comprend un PC 11 capable de déterminer et d'afficher la courbe de l'évolution du coefficient de frottement en fonction de la vitesse de translation du vérin 9. Le programme utilisé est développé en langage C++ sous l'éditeur National Instrument CVI 7. Ce programme est scindé en deux parties complémentaires : 1. Le paramétrage de tous les items de mesure et de pilotage. 2. Les mesures et traitements automatisés des courbes de frottement. Ces deux principales fonctions sont scindées et matérialisées sous la forme de deux écrans distincts du PC. 1) Le paramétrage L'opérateur documente les paramètres suivants : Le gain et les offsets des voies de mesure (effort déplacement) - La détection. des positions du vérin 9 rentré et vérin sorti - Le pas minimum de la mesure (en mm) - La course morte qui ne sera pas prise en compte lors des mesures (phase durant laquelle le vérin 9 accélère ou décélère). Pour permettre tous ces réglages, l'utilisateur dispose d'afficheurs présents sous la forme de deux graphes déroulants (pour le déplacement du vérin 9 et l'effort de frottement) et d'une étiquette numérique indiquant la valeur moyenne de l'effort. Le graphique déroulant de l'effort est paramétrable afin d'optimiser sa visualisation. Une fois tous les réglages finalisés, l'utilisateur peut stocker tous les paramètres sous la forme d'un fichier items stocké sur le support désiré. Lors d'une nouvelle utilisation, dans des conditions de fonctionnement similaires, il est donc possible de rappeler ce fichier items et ainsi d'éviter le réglage. 2) Les mesures et traitements automatisés des courbes de frottement L'utilisateur détermine les différents paramètres utilisés lors de la mesure pour : Le calcul du coefficient de frottement moyen - Les différentes vitesses du vérin 9 - Le filtrage du signal Les sauvegardes des données (en format .txt utilisables sous Excel) L'activation des copies d'écran des essais (images au 25 format .bmp). Une fois les paramètres fixés l'opérateur démarre la mesure. Le programme trace l'évolution du coefficient de frottement moyen en fonction de la vitesse de glissement. Pour y parvenir, il enchaîne autant de fois que nécessaire les opérations suivantes : 30 Le pilotage d'un aller retour du vérin 9 à la vitesse demandée - La visualisation sur un cycle des courbes brutes, filtrées et du bornage Le positionnement du point de mesure sur le graphe (frottement/ glissement) 35 - Un afficheur permet de contrôler au fur et à mesure le coefficient de frottement pour chaque vitesse. Un exemple de tracé sous forme de courbe des mesures brutes issues d'un aller et retour du vérin est illustré par la figure 2. L'effort de frottement et le déplacement du vérin y sont tracés en fonction du temps. Sur cette figure 2, on a également visualisé l'effort de frottement après filtrage, ainsi que les bornages a, b, c, d utilisés pour le calcul des valeurs moyennes du coefficient de frottement. Le tracé des bornes permet de distinguer les zones de mesures dans lesquelles le programme réalise le calcul du coefficient de 10 frottement moyen. Le bras articulé 6 applique sur les échantillons 5, 4 une force constante F. Le vérin 9 est piloté pour se déplacer à des vitesses constantes de 0,01 mm/s à 10 mm/s. 15 Le capteur d'effort 10 convertit l'effort de frottement en un signal électrique réceptionné par un pont de gauges d'extensométrie 12. La sortie du pont de gauges d'extensométrie est reliée au PC 11. Les courbes montrant l'évolution du coefficient de frottement en fonction de la vitesse de glissement entre les deux échantillons sont 20 interprétées de la façon suivante : lorsque la courbe montre que le coefficient de frottement augmente en fonction de la vitesse (voir figure 3) ou reste constante (voir figure 4), on considère que le couple des matériaux testés n'est pas susceptible de générer du bruit par 25 frottement, et lorsque la courbe montre, au contraire, que le coefficient de frottement diminue en fonction de la vitesse (voir figure 5), on considère que le couple des matériaux testés est susceptible de générer du bruit par frottement et on préconise de ne pas utiliser 30 ce couple de matériaux. Cette façon de procéder est basée sur les considérations suivantes. Le phénomène de stick-slip est dû à une oscillation de l'effort de frottement, qui, par l'intermédiaire des raideurs de liaison, peut produire une émission sonore. Pour éviter l'apparition du phénomène 35 de stick-slip, il convient donc d'avoir un couple de matériaux dont le coefficient de frottement statique (pS) est toujours inférieur ou bien égal aux coefficients de frottement dynamiques (pD). En d'autres termes, lors de la caractérisation en frottement d'un couple de matériaux, il est indispensable d'obtenir des courbes du type des figures 3 ou 4 mais jamais une courbe de type de la figure 5. L'application préférée de l'invention concerne l'automobile, dans laquelle, il est important de faire un choix rigoureux des matériaux susceptibles de frotter les uns sur les autres sous l'effet des vibrations et d'émettre en l'absence de lubrifiant des bruits du type stick-slip. Le procédé et l'installation selon l'invention ont été testés avec succès notamment sur les couples de matériaux suivants : différents vernis bague en EPDM/Pion en PPMD20 bague en EPDM/Tôle peinte bague en POM/Rail en PET + PBT + 20% de fibres de verre. REVENDICATIONS 1. Procédé permettant de déterminer des couples de matériaux qui, associés entre eux, sont susceptibles de générer du bruit par 5 frottement, caractérisé par les étapes suivantes : - on met en contact deux éprouvettes (4, 5) des matériaux à tester, on soumet l'une des éprouvettes (4, 5) à un mouvement alternatif de translation par rapport à l'autre éprouvette pour que l'une des éprouvettes (4, 5) frotte sur l'autre éprouvette, 10 on fait varier la vitesse de glissement de l'une des éprouvettes (4, 5) par rapport à l'autre éprouvette, on mesure les efforts de frottement pour différentes vitesses de glissement, on calcule à partir de ces efforts de frottement, les coefficients de 15 frottement, on établit la courbe de l'évolution des coefficients de frottement en fonction de la vitesse et à partir de l'allure de cette courbe, on apprécie si le couple des matériaux testés est susceptible de générer du bruit par frottement. 20 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on détermine pour chaque vitesse de glissement la moyenne de l'effort de frottement. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que: 25 - lorsque la courbe montre que le coefficient de frottement augmente en fonction de la vitesse ou reste constante, on considère que le couple des matériaux testés n'est pas susceptible de générer du bruit par frottement, et lorsque la courbe montre, au contraire, que le coefficient de 30 frottement diminue en fonction de la vitesse, on considère que le couple des matériaux testés est susceptible de générer du bruit par frottement et on préconise de ne pas utiliser ce couple de matériaux. 4. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des 35 revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend : - un chariot (1) posé sur un plateau horizontal (2), l'une des extrémités du chariot (1) étant en appui contre une butée (3), - une première éprouvette (4) fixée sur le chariot (1), - une seconde éprouvette (5) posée sur la première éprouvette (4), cette seconde éprouvette (5) étant fixée à un bras (6) articulé à un support (7), ce support (7) étant relié à l'extrémité de la tige (8) d'un vérin (9) dont l'axe est aligné avec le bras (6), ce vérin (9) étant piloté pour déplacer le bras (6) et la seconde éprouvette (5) selon un mouvement de translation alternatif, un capteur d'effort (10) inséré entre le chariot (1) et la butée (3). 5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend un système de pilotage capable d'assurer les fonctions suivantes : régler les paramètres de mesure et de pilotage, déclencher et stopper le mouvement du vérin (9), régler la vitesse de translation du vérin (9), mesurer les efforts de frottement à partir des signaux délivrés par le capteur d'effort (10), mesurer la position du vérin (9), filtrer les signaux de mesure, calculer les coefficients de frottement entre les éprouvettes (4, 5) testées, stocker les données. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le système de pilotage comprend un PC (11) capable de déterminer et d'afficher la courbe de l'évolution du coefficient de frottement en fonction de la vitesse de translation du vérin (9). 7. Installation selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que le vérin (9) est piloté pour se déplacer à des vitesses constantes de 0,01 mm/s à 10 mm/s.