Le crissement des freins à disque est un phénomène sonore indésirable dû au frottement des garnitures sur le disque. Ce système dynamique autonome non-linéaire génère des vibrations auto-entretenues responsables d’émissions sonores pouvant atteindre 110dB. Les études actuelles se limitent principalement à l’analyse de stabilité qui surestime généralement le domaine d’instabilité. L’objectif de cette thèse est donc d’étendre l’étude du crissement de frein au domaine non-linéaire à l’aide de méthodes moins coûteuses numériquement que les traditionnelles méthodes temporelles. Dans un premier temps, nous nous sommes tout d’abord intéressé à la modélisation simplifiée d’un système de frein composé d’une garniture et d’un disque de frein. Nous avons réduit ces éléments aux interfaces de contact permettant ainsi de garder les non-linéarités tout en traitant des modèles de plus petite taille. Dans un second temps, nous avons développé une méthode non-linéaire originale qui, basée sur les méthodes classiques de balance harmonique, permet de calculer la réponse dynamique des systèmes autonomes non-linéaires. Cette méthode, applicable sur des systèmes soumis à un ou plusieurs modes instables, est capable de calculer des réponses périodiques ou pseudo-périodiques. Enfin nous avons appliqué cette méthode sur le modèle réduit de frein et montré son avantage en terme de coût numérique. Cette étude a également permis de mettre en avant des phénomènes non-linéaires complexes tels que l’augmentation des amplitudes avec l’ajout d’amortissement ou encore la disparition d’un mode instable dans la réponse dynamique. / Disc brake squeal is an undesirable noise generated by the friction at the disc/pad contact interfaces. This nonlinear autonomous dynamic system is subjected to self-excited vibrations that are responsible for squeal noise up to 110dB. Disc brake squeal phenomenon is generally investigated by a stability analysis only, that has a tendency to over-estimate the instability domain. In this view, the objective of this thesis is thus to extend the brake squeal study to the nonlinear domain using less time consuming nonlinear methods than the traditional temporal methods. Initially, we were interested in a simplified modeling of a brake system made up of a pad and a disc brake. Both elements were reduced on their contact interfaces thus allowing to keep nonlinearities while treating moreover small size models. Secondly, we spread an original nonlinear method based on the common harmonic balance methods. It makes it possible to compute periodic or pseudo-periodic dynamic responses of an autonomous nonlinear system depend upon it is subjected to one or more unstable modes. Finally, we applied this method to the reduced brake model and showed its computational advantage compared to temporal methods. This study has thrown light on complex nonlinear phenomena such as the growing vibration amplitudes while damping increases or the disappearance of an unstable mode in the dynamic response.

Les phénomènes de contact (rugosité, frottement, usure, etc.) sont importants dans le fonctionnement des freins à friction. Ils peuvent influencer leurs performances en modifiant l'état de surface et des matériaux. Afin de cerner ce problème, les industriels se basent sur des méthodes de type essai/erreur qui sont coûteuses et peu efficaces face aux exigences actuelles.L'objectif de cette thèse est de proposer une alternative consistant à modéliser numériquement les systèmes, tels qu'un frein à friction, avec des hypothèses réalistes au niveau du contact contrairement aux approches classiques considérant le contact parfait. Ce challenge a été surmonté en développant une stratégie numérique associant un modèle macroscopique du système et plusieurs modèles micro traitant les phénomènes de contact. La modélisation microscopique du contact est faite grâce à des modèles thermique et mécanique considérant la rugosité. Le problème est résolu avec des techniques d'optimisation. Le cas d'un matériau à gradient de propriétés normal à la surface et l'usure sont aussi considérés. A partir de ces calculs, les paramètres de contact (pression, température, etc.) sont analysés en fonction des propriétés de surface et du matériau. Ensuite, le modèle macroscopique est enrichi avec ces paramètres tout en conservant la planéité des surfaces en contact. Avec cette technique, le temps de calcul est réduit en comparaison à des calculs Éléments Finis complets. Cette stratégie multi-échelle a été adoptée pour l'analyse dynamique et thermo-mécanique des freins. Les résultats des simulations numériques montrent l'impact de l'interface et de son évolution sur les performances du frein et vice-versa. / Contact phenomena (roughness, friction, wear, etc.) are central to friction brake functioning as they lead to the modification of surface and material properties which may affect the braking performances. To address these issues, the manufacturers use an experimental approach based on feedback tests which is expensive and inefficient against the current requirements.The objective of this work is to propose an alternative based on numerical modeling of applications like brakes with realistic assumptions at the contact interface level, unlike the classical approaches that assume a perfect contact. This challenge has been overcome by building a numerical methodology associating a large scale model of the system and several micro scale models of contact phenomena. The micro scale contact modeling has been performed with thermal and mechanical models considering roughness. The problem is solved by means of constrained quadratic programming. A normal gradient of material properties and wear have also been considered. From this analysis, surface parameters (pressure, temperature,etc.) are analyzed depending on roughness and material properties. Thereafter, a Finite Element large scale model is embedded with these parameters while the surface is flat at this scale. With this technique, the CPU time is considerably reduced and the precision is maintained in comparison to classical Finite Element calculations. This multi-scale methodology has been used for dynamic and thermo-mechanical analyses of braking systems. The results of numerical simulations highlight the impact of the contact interface and its evolution on the system behavior, and vice versa.

Les instabilités vibratoires, telles que le crissement de frein, sont souvent étudiées par des analyses aux valeurs propres complexes sur des modèles éléments finis (EF). L'objectif de cette thèse est d'enrichir ces modèles en prenant en compte la viscoélasticité dont les effets sont l'amortissement et la rigidification des matériaux en fonction de la fréquence. Pour cela un viscoanalyseur a été développé. Il permet de caractériser en cisaillement les matériaux entre 100 et 3500Hz, sans utiliser les équivalences temps-température. Ce viscoanalyseur permet d'alimenter en paramètres le modèle rhéologique de Maxwell généralisé par le biais d'une nouvelle méthode d'identification particulièrement robuste. Le modèle de Maxwell généralisé est ensuite introduit dans les modèles EF grâce à un modèle d'état projeté sur un sous-espace adéquat. Ces modèles améliorés prédisent moins d'instabilités du fait de l'amortissement, mais ils montrent également que la viscoélasticité peut avoir des effets de déstabilisation du fait de la rigidification.

Les instabilités vibratoires, telles que le crissement de frein, sont souvent étudiées par des analyses aux valeurs propres complexes sur des modèles éléments finis (EF). L'objectif de cette thèse est d'enrichir ces modèles en prenant en compte la viscoélasticité dont les effets sont l'amortissement et la rigidification des matériaux en fonction de la fréquence. Pour cela un viscoanalyseur a été développé. Il permet de caractériser en cisaillement les matériaux entre 100 et 3500Hz, sans utiliser les équivalences temps-température. Ce viscoanalyseur permet d'alimenter en paramètres le modèle rhéologique de Maxwell généralisé par le biais d'une nouvelle méthode d'identification particulièrement robuste. Le modèle de Maxwell généralisé est ensuite introduit dans les modèles EF grâce à un modèle d'état projeté sur un sous-espace adéquat. Ces modèles améliorés prédisent moins d'instabilités du fait de l'amortissement, mais ils montrent également que la viscoélasticité peut avoir des effets de déstabilisation du fait de la rigidification. / The vibratory instabilities, such as the brake squeal noise, are often studied by complex Eigenvalues analysis (CEA) on finite elements models (FE). The purpose of this thesis is to improve these models by taking the material viscoelasticity into account which induces damping and stiffening of materials according to the frequency.For that a tester was developed. It makes it possible to characterize the shearing behavior of materials between 100 and 3500Hz, without using time-temperature equivalences. This tester allows feeding in parameters the rheological model of generalized Maxwell by the means of a new robust identification method. The generalized Maxwell model is then introduced into FE models thanks to a state-space model on an accurate subspace.These improved models predict less instability occurrences because of damping, but they also show that viscoelasticity may induce destabilization because of stiffening.

Le crissement des freins des Trains à Grande Vitesse (TGV) est un bruit aigu particulièrement gênant émis lors de l'arrivée du train en gare. Ce travail a pour but de comprendre le phénomène en vue de réduire voire de supprimer l'émission du bruit. Ce phénomène acoustique est d'origine vibratoire : le crissement des freins à disque résulte des vibrations auto-entretenues des différents constituants induites par le frottement des garnitures sur le disque. Le phénomène de frottement étant lié aux aspérités de surface, il met en évidence un problème à deux échelles où un phénomène apparaissant à l'échelle microscopique crée des vibrations dans un disque à l'échelle macroscopique (amplitude de vibration du disque de l'ordre de quelques micromètres). Les phénomènes de bruits de freinage dont le crissement fait partie sont complexes, variés et ont des origines diverses selon les points de fonctionnement du mécanisme. Un état de l'art sur les différents travaux de modélisation montre qu'une instabilité de l'équilibre stationnaire dite géométrique ou par couplage de mode permet de mobiliser les modes de vibration responsables du crissement et ceci à coefficient de frottement constant. D'un point de vue modélisation, ces constatations nous orientent vers un modèle de mécanique des milieux continus déformables dans l'hypothèse de petites transformations. Beaucoup de travaux sur les vibrations auto-entretenues s'intéressent à la stabilité de l'équilibre mais font un raccourci rapide entre fréquences des modes instables et solution transitoire. Les travaux numériques traitant de la caractérisation de ces évolutions transitoires mettent en évidence des événements fortement non linéaires sous la zone de contact (comme de 'adhérence ou du décollement à cause de l'unilatéralité du contact). Un premier objectif de ce travail est l'étude de l'évolution des perturbations proches de l'équilibre vers la solution transitoire. Cette étude permet de mettre en évidence les liens entre les fréquences caractéristiques de cette solution transitoire (fréquences de crissement) et les fréquences des modes de stabilité. Le cas particulier d'un mécanisme de frein à disque TGV simplifié tridimensionnel est choisi. La transition entre l'évolution des perturbations proches de l'équilibre et l'évolution transitoire est étudiée grâce à une méthode originale de projection sur les modes de stabilité. Elle permet une étude spatiale et temporelle des champs vibratoires solutions. Son application sur le modèle simplifié de frein à disque est rendue possible grâce à une formulation eulérienne du problème. D'un point de vue calcul de structures, les solutions transitoires ont été déterminées grâce à des algorithmes et des stratégies numériques adaptés permettant de tenir compte du caractère non régulier du comportement du contact unilatéral frottant dans le cadre dynamique (tel que les situations de choc). L'instabilité de l'équilibre par couplage de mode est le mécanisme générateur de vibrations auto-entretenues privilégié dans la littérature. Qu'en est-il sur le mécanisme de freinage TGV? Cette question nous a conduit dans un premier temps à observer le comportement du mécanisme réel grâce à des campagnes d'essais. Dans un deuxième temps, elle nous a conduit à proposer un modèle de frein TGV réaliste. L'étude de la stabilité de l'équilibre a permis de prédire les fréquences de crissement mesurées. Elle a aussi permis de préciser le mécanisme physique de couplage de mode ainsi que sa dépendance vis à vis des caractéristiques physiques des garnitures. La connaissance de ce mécanisme physique est un fil conducteur robuste dans la recherche de solutions de réduction du bruit.

Le crissement des freins à disque est un phénomène sonore indésirable dû au frottement des garnitures sur le disque. Ce système dynamique autonome non-linéaire génère des vibrations auto-entretenues responsables d'émissions sonores pouvant atteindre 110dB. Les études actuelles se limitent principalement à l'analyse de stabilité qui surestime généralement le domaine d'instabilité. L'objectif de cette thèse est donc d'étendre l'étude du crissement de frein au domaine non-linéaire à l'aide de méthodes moins coûteuses numériquement que les traditionnelles méthodes temporelles. Dans un premier temps, nous nous sommes tout d'abord intéressé à la modélisation simplifiée d'un système de frein composé d'une garniture et d'un disque de frein. Nous avons réduit ces éléments aux interfaces de contact permettant ainsi de garder les non-linéarités tout en traitant des modèles de plus petite taille. Dans un second temps, nous avons développé une méthode non-linéaire originale qui, basée sur les méthodes classiques de balance harmonique, permet de calculer la réponse dynamique des systèmes autonomes non-linéaires. Cette méthode, applicable sur des systèmes soumis à un ou plusieurs modes instables, est capable de calculer des réponses périodiques ou pseudo-périodiques. Enfin nous avons appliqué cette méthode sur le modèle réduit de frein et montré son avantage en terme de coût numérique. Cette étude a également permis de mettre en avant des phénomènes non-linéaires complexes tels que l'augmentation des amplitudes avec l'ajout d'amortissement ou encore la disparition d'un mode instable dans la réponse dynamique.

Dans la dernière décennie, la robotique souple a connu un gain de popularité considérable. Elle est, de façon inhérente, sécuritaire pour les humains et l’environnement qui l’entourent. Grâce à sa faible rigidité, la robotique souple est idéale pour manipuler des objets fragiles et elle est en mesure de s’adapter à son environnement. Les caractéristiques uniques de la robotique souple font de cette technologie un tremplin vers la conception d’appareils médicaux novateurs, plus particulièrement pour des outils permettant le positionnement d’aiguilles dans le but de faire des interventions percutanées, notamment au niveau du foie. Toutefois, la souplesse de cette technologie induit, du même coup, quelques désagréments. Elle procure un comportement sécuritaire, mais entraîne aussi un manque de rigidité limitant les applications de la robotique souple. Sans une rigidité minimale, il est impossible d’accomplir des opérations repérables et précises. La robotique souple a en fait un compromis majeur entre la capacité de chargement et la plage d’utilisation. Pour utiliser cette technologie dans le domaine médical, il est primordial d’ajouter un système permettant de moduler la rigidité du système pour inhiber ce compromis. Couplée avec un système de freinage granulaire, la robotique souple semble comporter l’ensemble des caractéristiques permettant d’accomplir des interventions au foie. Cette étude tend à démontrer que couplée à un système modulant la rigidité, la robotique souple peut être utilisée pour accomplir des opérations d’une façon précise et repérable, tout en demeurant sécuritaire. Le positionneur d’aiguilles développé est 100 % compatible avec l’Imagerie à Résonance Magnétique (IRM). La plage d’insertion du système permet de rejoindre l’entièreté du foie (1500 cm³), tout en maintenant une rigidité suffisante (3 N/mm) et en étant aussi précis que l’outil d’imagerie utilisée (1 mm). L’approche hybride consistant à développer un système activé de façon souple couplée à un module régulant sa rigidité permet d’obtenir à la fois les avantages d’une robotique compliante (souple) et conventionnelle (dure).

Afin de répondre à la problématique de la sécurité lors des interactions humain-robot, le Laboratoire IntRoLab de la Faculté de génie à l'Université de Sherbrooke a développé un actionneur basé sur l'agencement d'un système mécanique à double différentiel et de deux freins magnétorhéologiques. Ce nouvel actionneur a été baptisé ADDR pour Actionneur Double Différentiel Rhéologique. Contrairement aux actionneurs classiques, l'ADDR n'est pas conçu pour être simplement contrôlé en position, mais il offre la possibilité d'être contrôlé en couple indépendamment de sa vitesse de rotation. Cela, ainsi que sa faible inertie de sortie, lui confère une grande sécurité lors de ses déplacements, même dans des environnements inconnus ou dynamiques. Ce mémoire présente la mise au point de l'électronique embarquée de contrôle de l'ADDR lui permettant d'interagir de façon sécuritaire avec des humains. Une première carte électronique est réalisée pour démontrer la faisabilité de contrôle de ce nouvel actionneur et caractériser ses performances. Le contrôle d'interaction étudié est le contrôle d'impédance par lequel un actionneur cherche à reproduire la réponse dynamique d'un système mécanique réel connu. Par la suite, l'électronique de contrôle est revue et miniaturisée afin d'être intégrée à l'intérieur même de l'ADDR. La large bande passante en couple mesurée permet de conclure que l'ADDR est tout à fait approprié pour être utilisé pour des interactions humain-robot par le biais du contrôle d'impédance. De plus, la réalisation d'une interface haptique qui ajoute un retour d'informations visuelles à l'utilisateur améliore la sensation de toucher de la dynamique du système mécanique simulé. Dans l'avenir, il serait intéressant d'utiliser plusieurs ADDR et leur contrôle d'impédance pour la conception d'un système mécanique tel qu'un bras robotique. Ainsi, les interactions humain-robot pourraient être plus complexes tout en apportant une très grande sécurité par rapport au même bras robotique réalisé à partir d'actionneurs classiques.

L’objectif de cette thèse est de proposer de nouvelles solutions matériaux moins sensibles à la fissuration par fatigue thermique induite en frottement, première cause de remplacement des disques de frein de véhicule « poids lourd ». Les performances en freinage doivent être équivalentes à celles obtenues avec le couple de matériaux actuels : disque de frein en fonte à graphite lamellaire- garniture en matériau de friction composite à matrice semi-métallique. L’étude repose sur une approche multidisciplinaire des phénomènes et des couplages induits en freinage. Elle comporte quatre parties : la première partie expose les principaux enjeux industriels et scientifiques du freinage des véhicules « poids lourds » ; la seconde développe une approche modèle-expérience originale pour caractériser les sollicitations de freinage conduisant à la dégradation de disques de frein échelle 1 en fonte à graphite lamellaire ; enfin les nouvelles solutions matériaux considérées sont évaluées suivant une étude tribologique (troisième partie) et en cyclage thermique (quatrième partie), développée en laboratoire / This PhD thesis was carried out with the aim of developing new materials for truck brake discs, so as to increase disc lifespans. Premature failure is the major problem encountered in the operation. Braking performances of new materials should be equivalent to those obtained with the current material couple: lamellar grey cast iron brake disc and commercial semi-metallic brake lining material. To do this, the study is divided in four parts: Firstly, major industrial and scientific aspects in braking are identified in literature and with investigations on truck brake discs used on road. Next, a coupled numerical-experimental approach enable us to characterize thermomechanical loadings induced by braking and leading to damage mechanisms of the lamellar grey cast iron disc. Finally, two aspects of new materials solutions are investigated in laboratory: tribological behaviour and thermal cycling behaviour

Cette thèse vise à développer une démarche de dimensionnement à la fatigue thermomécanique de disques de freins automobiles en fonte à graphite lamellaire. La première étape est la proposition d'une loi de comportement cyclique permettant de représenter les phénomènes non-linéaires ainsi que la forte dissymétrie de comportement entre traction et compression observés sur la fonte GL. Le modèle s'appuie sur l'introduction d'un tenseur d'endommagement d'ordre 2 induit par le chargement. A partir de l'analyse des mécanismes d'endommagement, on propose ensuite un critère de fatigue fondé sur la densité d'énergie dissipée par cycle, permettant de prédire l'amorçage de fissures dans les zones critiques. On s'intéresse enfin à l'étude de la formation d'un réseau de faïençage observé sur les pistes des disques de frein. / This thesis aims at developing an approach for thermomechanical fatigue design of automotive brake discs made of flake graphite (grey) cast-iron. The first step of this work consists of modeling the nonlinear cyclic behavior and tension/compression strong dissymmetry of grey cast iron. The proposed model is based on the introduction of a second-order induced damage tensor. From the analysis of the damage mechanisms, a fatigue criterion based on the dissipated energy per cycle, allowing crack initiation in the critical areas to be defined, is proposed. Finally, the formation of crack networks on braking discs is studied.