Influence des garnitures de frein sur les sollicitations thermiques des disques TGV et conséquences sur les risques de fissuration, Influence of pad type on thermal localisations in TGV brake discs and consequences on cracking risks

N° d’ordre 116

ECOLE CENTRALE DE LILLE



THESE

présentée en vue
d’obtenir le titre de



DOCTEUR

en

Spécialité : MECANIQUE

par

PAUL WICKER


DOCTORAT DELIVRE PAR L’ECOLE CENTRALE DE LILLE

Titre de la thèse :

INFLUENCE DES GARNITURES DE FREIN SUR LES SOLLICITATIONS
THERMIQUES DES DISQUES TGV ET CONSEQUENCES SUR LES
RISQUES DE FISSURATION



Thèse soutenue le 17 décembre 2009 devant le jury :

Président L. REMY DR CNRS, CDM Ecole des Mines, Paris
Rapporteur H.P. LIEURADE Conseiller scientifique, CETIM Senlis
Rapporteur C.M. SONSINO Professeur, LBF Fraunhofer Institute, Darmstadt, Germany
K. DANG VAN DR CNRS, LMS Ecole Polytechnique, Palaiseau Examinateur
Examinateur A. CONSTANTINESCU DR CNRS, LMS Ecole Polytechnique, Palaiseau
J.J. THOMAS Direction de l'Innovation et de la Recherche, SNCF, Paris Examinateur
Directeur de thèse G. DEGALLAIX Professeur, Ecole Centrale de Lille, Villeneuve d’Ascq
Directeur de thèse P. DUFRENOY Professeur, Université Lille 1 – Polytech’Lille, Villeneuve d’Ascq


Thèse préparée au sein du LABORATOIRE DE MECANIQUE DE LILLE

Ecole Doctorale SPI 072 (Lille I, Lille III, Artois, ULCO, UVHC, EC Lille)
tel-00579663, version 1 - 24 Mar 2011Remerciements


Les travaux présentés dans ce mémoire ont été menés au sein de l’équipe de recherche
Freinage Contact Surface dirigée par M. DESPLANQUES, et elle-même intégrée au
Laboratoire de Mécanique de Lille dirigé par M. STANISLAS. Je tiens à les remercier de
m’avoir accueilli au laboratoire et d’avoir mis à ma disposition les moyens nécessaires à cette
étude.

Ce travail a été dirigé par Monsieur le Professeur Gérard DEGALLAIX et Monsieur le
Professeur Philippe DUFRENOY. Je tiens à les remercier de leur aide tout au long de cette
thèse et de m’avoir soutenu et parfois supporté dans les moments de découragement.

Je tiens aussi à remercier Monsieur Luc Rémy d’avoir présidé mon jury de thèse ainsi que
Monsieur Cetin Morris SONSINO et Monsieur Henri-Paul LIEURADE d’avoir accepté d’être
les rapporteurs de ce travail.

Plus globalement, je remercie tous les membres du jury pour l’intérêt qu’ils ont porté à ce
travail et pour leurs remarques pertinentes et précieuses pour la poursuite des recherches sur
la problématique abordée.

Cette thèse s’est déroulée dans le cadre d’une convention CIFRE entre le LML et l’Agence
d’Essai Ferroviaire (AEF) de la SNCF. J’ai par conséquent été amené à travailler avec de
nombreuses personnes qui m’ont aidé et se sont intéressées à mon travail.

Je souhaite donc adresser mes plus vifs remerciements :

A Monsieur Jean-Jacques THOMAS, responsable de l’unité de recherche Physique du
système ferroviaire de la SNCF, et à Madame Florence MARGIOCCHI, chercheuse dans ce
même service et responsable du projet CrisFis.

A Messieurs Frédéric BUMBIELER et Wallerand d’HARDIVILLIERS, mes
responsables au sein du service Matériaux-Environnement-Structures de l’AEF. Ainsi qu’à
Messieurs Yann CHEYNET, David BEAUBIER et Gilles GONCALVES qui m’ont aidé à
réaliser diverses expertises et mesures.

A Messieurs Hervé POIDEVIN, Serge SALES, Claude LAVERDET et David
BOURSE, du service freinage à poste fixe de l’AEF, dont le professionnalisme et l’ouverture
d’esprit ont permis de réussir trois campagnes expérimentales de freinage ambitieuses et
exigeantes.

A tous mes collègues chercheurs du LML avec lesquels j’ai passé de très bons
moments de travail et de détente.

A tous mes proches, parents et amis, qui m’ont soutenu tant moralement que
matériellement.




tel-00579663, version 1 - 24 Mar 2011Table des matières

Introduction .............................................................................................................................. 6
Chapitre I.................................................................................................................................. 8
I- Problématique du freinage et choix d’une stratégie d’étude......................................... 8
I-1 Cas de fissuration de disques de frein de TGV ...................................................... 8
I-1.1 Retour d’expérience, disques fissurés en service ...................................................... 8
I-1.2 Essais de freinage d’endurance sur banc d’essai industriel....................................... 9
I-1.3 Synthèse................................................................................................................... 15
I-2 Problématique du freinage.................................................................................... 16
I-2.1 Aspect tribologique à l’échelle du contact .............................................................. 16
I-2.2 Aspect thermique à l’échelle du contact.................................................................. 18
I-2.3 Localisations thermiques sur les disques de frein ................................................... 21
I-2.4 Détermination de la sollicitation thermomécanique dans les disques ..................... 31
I-3 Stratégie d’étude................................................................................................... 35
Chapitre II .............................................................................................................................. 38
II- Identification du chargement thermique des disques .................................................. 38
II-1 Campagne expérimentale ..................................................................................... 38
II-1.1 Protocole expérimental........................................................................................... 38
II-1.2 Moyens d’essais et instrumentation ....................................................................... 42
II-2 Résultats expérimentaux....................................................................................... 47
II-2.1 Coefficient de frottement ....................................................................................... 47
II-2.2 Analyse des mesures de température dans les garnitures....................................... 49
II-2.3 Analyse des gradients thermiques observés sur les disques par thermographie IR54
II-2.4 Synthèse ................................................................................................................. 63
II-3 Conclusion du chapitre......................................................................................... 64
Chapitre III............................................................................................................................. 66
III- Evaluation de la criticité des gradients thermiques par modélisation
thermomécanique............................................................................................................ 66
III-1 Utilisation du chargement thermique mesuré par thermographie infrarouge....... 66
III-1.1 Présentation du modèle thermomécanique par éléments finis (EF)...................... 66
III-1.2 Cas d’un freinage isolé.......................................................................................... 67
III-1.3 Cas d’une succession de freinages........................................................................ 69
III-1.4 Synthèse ................................................................................................................ 71
III-2 Utilisation de chargements thermiques modèles .................................................. 72
III-2.1 Présentation des chargements thermiques modèles .............................................. 72
III-2.2 Résultats obtenus pour les chargements modèles ................................................. 75
III-3 Recherche des paramètres influents sur les risques d’endommagement des
disques.................................................................................................................. 83
III-3.1 Influence de la température maximale, du flux surfacique et de la décélération de
freinage sur les valeurs de travail plastique.......................................................... 83
III-3.2 Proposition de paramètres issus des champs thermiques spatiaux et temporels... 85
III-3.3 Comparaison avec les résultats expérimentaux .................................................... 89
III-3.4 Synthèse ................................................................................................................ 93
III-4 Conclusion du chapitre......................................................................................... 94