# Projet CrisFis : vers des solutions non-crissantes de freins à disque haute puissance pour le ferroviaire

Florence Margiocchi, Jean-François Cordier, Xavier Lorang, Olivier Chiello

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Florence Margiocchi, Jean-François Cordier, Xavier Lorang, Olivier Chiello. Projet CrisFis : vers des solutions non-crissantes de freins à disque haute puissance pour le ferroviaire. 8e Congrès Français d'Acoustique, Apr 2006, Tours, France. hal-05173923

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# Projet CrisFis : vers des solutions non-crissantes de freins à disque haute puissance pour le ferroviaire

Florence Margiocchi¹, Jean-François Cordier², Xavier Lorang¹, Olivier Chiello³

1 SNCF, Direction de l'Innovation et de la Recherche, 45 rue de LONDRES, 75379 PARIS CX 08, courriel : florence.margiocchi@sncf.fr

² SNCF, Agence d'Essai Ferroviaire, 21, Avenue du président Allende, 94407 Vitry sur Seine CX, courriel : jean-françois.cordier@sncf.fr

³ INRETS-LTE, 25 av F. Mitterrand, 69675 BRON Cedex, courriel:olivier.chiello@inrets.fr

## Résumé

La prise en compte des nuisances occasionnées par les systèmes de freinage sur l'environnement, la sécurité et la qualité de vie nécessite l'émergence d'actions technologiques nouvelles. Des solutions technologiques issues de la compréhension et de la modélisation des phénomènes physiques tels que le crissement peuvent maintenant être développés.

Ce projet PREDIT-ADEME a pour but de traiter conjointement les aspects crissement et fissuration des freins à disques haute puissance pour le transport ferroviaire (TGV) afin d'envisager, d'une part, des solutions rétrofit, et d'autre part, de concevoir et de développer des systèmes de freinage aussi sûrs mais plus respectueux de l'environnement. L'objectif général du projet est de : caractériser expérimentalement le phénomène de crissement, développer des outils de modélisation et de compréhension des phénomènes de crissement et de fissuration, concevoir et tester dans un premier temps une à deux solutions techniques issues de ces modélisations limitant ces phénomènes de crissement et de fissuration, tout en associant des partenaires industriels, des laboratoires et des centres de recherche publics.

Initié en janvier 2005, nous nous concentrerons ici sur les avancées de la partie crissement. Des résultats récents sont présentés grâce à l'exploitation d'un modèle numérique du frein de T.G.V. et grâce à des caractérisations expérimentales avancées en gare et en roulage sur le train sur le système de freinage. Des études paramétriques et complémentaires sont actuellement menées sur les bancs de mesure SNCF. Au niveau théorique l'approche développée permet de mettre en évidence la déstabilisation par flottement du régime de glissement stationnaire des plaquettes avec le disque. Les vibrations non-linéaires engendrées par cette déstabilisation se propageant sous forme d'onde dans le disque semblent être responsables du bruit émis.

## Introduction

La prise en compte des nuisances occasionnées par les systèmes de freinage sur l'environnement, la sécurité et la qualité de vie nécessite l'émergence d'actions technologiques nouvelles. Des solutions technologiques issues de la compréhension et de la modélisation des phénomènes physiques tels que le crissement peuvent maintenant être développées.

Le programme de recherche PREDIT subventionné par l'ADEME : CRISFIS, « Crissement et Fissuration des freins à disque haute-puissance pour le ferroviaire », lancé en janvier 2005, a pour ambition de traiter conjointement les aspects crissement et fissuration des freins à disques haute puissance pour le ferroviaire (TGV) afin d'envisager, d'une part, des solutions rétrofit, et d'autre part, à plus ou moins long terme, de concevoir et de développer des systèmes de freinage aussi sûrs mais plus respectueux de l'environnement.

Le programme a pour objectifs de :

- caractériser expérimentalement le phénomène de crissement des freins à disques TGV,

- développer des outils de modélisation et de compréhension des phénomènes de crissement et de fissuration

- concevoir et de tester dans un premier temps une à deux solutions techniques issues de ces modélisations limitant ces phénomènes de crissement et de fissuration.

Et il associe les partenaires suivants :

- les partenaires industriels : l'exploitant ferroviaire : la SNCF, et les fournisseurs industriels : CARBONE LORRAINE, FREINRAIL,

- les Laboratoires et centres de recherche publics : le Laboratoire Transport et Environnement de l' INRETS (LTE), le Laboratoire de Mécanique des Solides (LMS) de l'Ecole Polytechnique, Le Laboratoire de Mécanique de Lille (LML) qui regroupe les écoles : Ecole Centrale de Lille, USTL Polytech'Lille, l'ENSAM.

La phase initiale du programme consistait à faire un état des lieux et un retour d'expérience industriel relatifs aux problèmes de crissement et de fissuration. Concernant la partie crissement, il s'agissait de préparer les lots de travaux opérationnels de modélisation et de caractérisation expérimentale en faisant le point sur :

- les phénomènes physiques mis en jeu dans la génération du crissement,

- le crissement des freins à disque dans la littérature scientifique,

- les spécificités du système de freinage TGV,

- le retour d'expérience de l'exploitant et des fournisseurs concernant le crissement de ce système.

Ce travail [1] a permis de dégager les pistes à suivre et les questions principales auxquelles les travaux théoriques et expérimentaux vont répondre pour concevoir avec les partenaires industriels, lors du dernier lot de travaux, des systèmes non crissants et non fissurants au freinage.
Cet article se concentre sur les premiers résultats des lots de travaux de la partie crissement: mise en place d'une démarche de caractérisation expérimentale en fonctionnement et de modélisation du phénomène de crissement des freins à disque TGV.

## Approche expérimentale

La partie expérimentale du projet comprend des mesures en gare, des mesures sur TGV en conditions maîtrisées et des mesures au banc d'essai. Les objectifs principaux des essais sont :

- la caractérisation acoustique du crissement généré par des couples disque/garniture donnés, en particulier l'identification de la fréquence et l'amplitude des pics de crissement,

- des caractérisations vibratoires localisées (points et directions jugés représentatifs du système) du crissement généré par des couples disque-garniture donnés, en particulier l'identification de la fréquence et l'amplitude des raies de crissement,

- par comparaison, l'identification des principales sous-structures vibrantes et rayonnantes pour une fréquence (ou ensemble de fréquences) de crissement donné,

- la caractérisation des surfaces réellement en contact pour des couples disque-garniture donnés,

- une caractérisation vibratoire en différents points plus complète sur banc d'essai,

- l'étude de l'influence des paramètres externes (vitesse, pression, sens d'avance) sur l'ensemble de ces données.

Enfin, les essais sont naturellement indispensables à la validation des modèles.

## Essais en gare

Une première étude statistique expérimentale du crissement des TGV en gares (173 enregistrements) a montré une dispersion des spectres de crissement notamment liée à la dispersion des différents matériels constituant le système de freinage et à la variation des conditions de freinage à l'arrivée en gare. Trois bandes de fréquences ont été mises en évidence (entre 1000 et 5000Hz, aux environs de 6600Hz et entre 8000 et 16000Hz) avec une occurrence de crissement et des niveaux sonores au sein de ces groupes différents selon le type de matériel TGV mesuré.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>**Figure 1 :** Diagramme Temps-Fréquence : mesure lors d'un freinage d'arrêt en gare.</figcaption></figure>

Pour l'enregistrement du diagramme temps-fréquence de la figure 1, le microphone était positionné sur le quai à 1m du bord du quai en transversal et à 1 m de hauteur par rapport au quai en vertical.

## Essais embarqués sur TGV

Une caractérisation plus fine a ensuite été effectuée sur matériel roulant mais cette fois en conditions contrôlées. Les principaux objectifs étaient de mettre en évidence la reproductibilité des résultats sur plusieurs freinages, l'influence du sens de circulation et de la pression de freinage, la relation entre grandeurs acoustiques et vibratoires, le lien avec les mesures en gare.

Différentes garnitures et disques ont été instrumentés avec, notamment, un microphone en champ proche à 1 cm de la surface du disque (Figure 2), un vibromètre laser pour des mesures normales à la surface du disque, des thermocouples et des accéléromètres sur les garniture, des capteurs de pression sur les cylindres de freins. Différentes configurations de freinage ont été reproduites.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>**Figure 2 :** A gauche : instrumentation d'un microphone en champ proche du disque de frein – A droite : plots d'une garniture équipés de thermocouples</figcaption></figure>

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>**Figure 3 :** Spectres acoustiques et vibratoires d'un disque instrumenté</figcaption></figure>

La superposition des signaux acoustiques et vibratoires sur la figure 3 met en évidence que la majorité des fréquences acoustiques émergentes significatives coïncident avec les fréquences vibratoires émergentes du disque au dessus de 5000 Hz, ce qui correspond aux deux groupes fréquentiels supérieurs mis en évidence lors des essais en gare. Les garnitures équipées de thermocouples permettront quant à elles d'investiguer sur la caractérisation des surfaces réellement en contact.
A partir de ces mesures, considérées comme références, la représentativité des bancs SNCF vis-à-vis du phénomène de crissement sera testée. Des études paramétriques pourront être menées au banc en fonction de la représentativité des phénomènes avec le réel.

Pour venir en appui de la modélisation et compléter les investigations expérimentales, l'objectif suivant est d'étudier la faisabilité de caractériser directement le champ vibratoire sur la surface du disque en plus de la seule caractérisation acoustique en champ proche. Egalement pour venir enrichir la modélisation, des analyses modales expérimentales complémentaires, hors freinage, seront à prévoir.

## Approche théorique

Le rôle de la modélisation est de privilégier la compréhension des mécanismes physiques à la simple caractérisation. Pour le développement de garnitures non-crissantes, cette approche est potentiellement plus efficace qu'une approche purement empirique étant donné la complexité du problème. En particulier, l'approche théorique permet d'aborder les points suivants :

- génération du crissement et du type de crissement, en fonction du type et de l'état d'usure des garnitures,

- mécanisme associé au crissement (et éventuellement au type de crissement),

- rôle des paramètres (type et usure de la garniture, type et état de surface du disque, vitesse, pression, humidité, sens de rotation du disque) dans la détermination du crissement,

- rôle du coefficient de frottement.

La partie perception est également menée en parallèle. En effet la question de savoir quels sont les types de crissement les plus gênants est cruciale dans la perspective de développement de garnitures non-crissantes.

## Hypothèses principales

Les hypothèses principales adoptées pour la modélisation sont les suivantes :

- on appelle crissement, le signal composé de l'ensemble des pics principaux présents dans le spectre acoustique au delà de 1 kHz, mesuré au voisinage du système de freinage, en phase de freinage,

- on suppose que ce crissement est dû au rayonnement acoustique des sous-structures du système, en particulier les disques et les garnitures, en vibrations auto-entretenues,

- on suppose que ces vibrations auto-entretenues sont principalement liées à l'instabilité de l'équilibre glissant du système,

- on suppose que cette instabilité provient du caractère non symétrique de la relation entre les efforts et les déplacements sur les surfaces en contact frottant.

Par ailleurs, on considère une période de temps, courte vis-à-vis de la durée du freinage, sur laquelle on fait les hypothèses suivantes: vitesse et pression constante, loi de Coulomb localement satisfaite à l'interface disque/garniture, coefficient de frottement constant, état d'usure constant,

phénomènes thermiques négligés et caractéristiques mécaniques constantes pour la structure en terme de masse, d'élasticité et d'amortissement.

Il est clair que les paramètres : coefficient de frottement, géométrie des plots, surfaces en contact ; doivent être déterminés expérimentalement ou bien estimés à partir de l'analyse tribologique et thermo-mécanique effectuée à l'échelle de la durée du freinage, dans la partie Fissuration du projet.

## Démarches de modélisation

Sous les hypothèses principales ci-dessus, la modélisation du crissement peut être réalisée en utilisant la démarche et les outils correspondant au problème général de deux structures élastiques en contact frottant :

1. Discrétisation par éléments finis

2. Etude de l'équilibre glissant

3. Etude de la stabilité de l'équilibre

4. Etude des vibrations auto-entretenues ou solution dynamique

5. Etude du rayonnement acoustique

Pour le point 1, on considère des structures élastiques en petits déplacements et petites déformations. Les maillages (compatibles à l'interface des 2 structures) sont réalisés sous CAST3M puis importés dans MATLAB. Les outils correspondant aux étapes 2, 3 et 4 sont développés par le LMS ([2], [3]) et l'INRETS.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 4 : Démarche de modélisation des points 1 à 4</figcaption></figure>

En ce qui concerne le point 5 illustré sur la figure 5, la démarche proposée consiste à transmettre à l'ENSAM les vibrations auto-entretenues des structures, sur une période correspondant à la solution dynamique quasi-stabilisée pour le calcul du rayonnement acoustique sous RAYON.
<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>**Figure 5 :** Démarche de modélisation des points 3 à 5</figcaption></figure>

Il est proposé de tester la démarche sur deux configurations test :

1. un disque annulaire épais, encastré sur son rayon intérieur, en contact frottant avec une surface rigide de section circulaire, de part et d'autre du disque

2. le même disque (figure 6, [3]), en contact frottant, un plot élastique de section circulaire de part et d'autre du disque.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>**Figure 6 :** Modèle éléments finis 3 D du cas simplifié 2</figcaption></figure>

et ensuite d'appliquer les outils de modélisation développés sur le crissement des freins à disques du TGV([2], Figures 7 et 8). Une approche progressive et itérative est choisie pour la modélisation des garnitures sachant que l'objectif final est le développement de garnitures non crissantes. En revanche, un couple disque/moyeu pour l'ensemble de l'étude a été fixé.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>**Figure 7 :** A gauche : essieu TGV (2 couples disque/moyeu montés sur un essieu) – A droite : garnitures montées sur leur étrier.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>**Figure 8 :** A gauche : Modèle éléments finis du système disque/moyeu/garniture – A droite : Déformée modale d'un mode instable</figcaption></figure>

Pour chaque modèle, les mécanismes d'instabilité seront étudiés, en particulier pour les modes instables présentant une corrélation satisfaisante avec les caractérisations

expérimentales On calculera alors la solution dynamique (figure 9) et le rayonnement acoustique associé.

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>**Figure 9 :** DSP de la réponse vibratoire normale au disque du cas simplifié présenté en figure 6 [3]</figcaption></figure>

La démarche a été construite pour surmonter les difficultés envisagées lors de l'état de lieux du projet, en particulier :

- la modélisation de certaines liaisons entre sous-structures,

- la modélisation de l'amortissement,

- la caractérisation expérimentale des sous-ensembles

- la prise en compte de l'usure des plots,

- le calcul des vibrations auto-entretenues et la question des conditions initiales.

Le risque principal restant est lié à la possibilité de l'existence d'un autre mécanisme de génération à la place ou en plus de celui correspondant aux outils de modélisation présentés.

## Conclusions

Une démarche de modélisation du phénomène de crissement des freins à disque TGV, appuyée par une approche expérimentale complète, est proposée. L'applicabilité de cette démarche sur des cas tests simplifiés est menée. Une meilleure caractérisation expérimentale du crissement est maintenant acquise : amplitude, fréquence et occurrence des fréquences de crissement selon le type de matériel TGV sont connues. L'étape suivante est l'application des outils de modélisation développés sur le cas des freins à disques TGV et la confrontation des résultats obtenus avec les données expérimentales. La dernière étape du projet sera d'établir et de valider une démarche conjointe, crissement et fissuration, proposant des solutions techniques issues de leurs travaux théoriques et expérimentaux respectifs.

## Remerciements

- A l'ADEME pour son soutien et sa contribution financière au projet,

- A l'ensemble des partenaires du projet cités en introduction pour leur implication dans les parties crissement et fissuration.

## Bibliographie

[1] O. Chiello, "Crissement des freins à disques haute puissance pour le ferroviaire: état des lieux", rapport INRETS n°0521, Bron, France.

[2] X. Lorang, F. Foy-Margiocchi, Q.S. Nguyen, P.E. Gautier "TGV disc brake squeal", Journal of Sound and Vibration, Accepted 26 august 2005.

[3] X. Lorang, F. Margiocchi, Q.S. Nguyen, P.E. Gautier "A numerical study of TGV disc brake squeal", EURONOISE 2006, Tampere, Finlande, mai 2006.