Le programme de recherche CrisFis, « Crissement et Fissuration des freins à disque haute- puissance pour le ferroviaire », lancé en janvier 2005, avait pour objectif 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 de concevoir et de développer, à plus ou moins long terme, des systèmes de freinage aussi sûrs mais plus respectueux de l’environnement.

Le programme avait pour objectifs de caractériser expérimentalement le phénomène de crissement des freins à disques haute puissance pour le ferroviaire, de développer des outils de modélisation et de compréhension des phénomènes de crissement et de fissuration, et de 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.

Synthèse du programme de recherche CrisFis de 2005. Le «Crissement et Fissuration des freins à disque haute - puissance pour le ferroviaire» avait pour objectif de déterminer les aspects crissement et fissuration des freins et de concevoir des systèmes de freinage aussi sûrs mais plus respectueux de l’environnement.

Ce programme de recherche labellisé PREDIT a été co-financé par l’ADEME et a associé différents partenaires qui sont d’une part des partenaires industriels, l’exploitant ferroviaire comme la SNCF (DIR, CIM, AEF), et les fournisseurs industriels comme CARBONE LORRAINE, FREINRAIL. De l’autre les Laboratoires et centres de recherche publics comme le Laboratoire Transport et Environnement de l’ INRETS (LTE), le Laboratoire de Mécanique des Solides de l’Ecole Polytechnique, et le Laboratoire de Mécanique de Lille qui regroupe les établissements Ecole Centrale de Lille, l’Université de Lille I Polytech’Lille et l’ENSAM.

Une première phase du programme, a fait un état des lieux relatif au problème de crissement et de fissuration. Ce premier travail a permis de dégager, les pistes à suivre et les questions principales auxquelles les travaux théoriques et expérimentaux vont répondre pour concevoir des systèmes non crissants et non fissurants au freinage.Concernant les travaux théoriques des préconisations en ont découlées pour le dimensionnement de freins non crissants et non fissurants.

Dans la dernière partie les partenaires industriels ont dimensionné et développé des prototypes de plaquettes de frein respectant des contraintes limites de crissement et de fissuration. Les résultats des essais pour le crissement et pour la fissuration sont analysés pour conclure en s’appuyant sur les connaissances acquises dans les travaux théoriques. La démarche adoptée, le cadre théorique, les résultats obtenus et les préconisations qui en découlent ont été développés pour chaque problématique : crissement et fissuration, d’abord séparément puis de façon croisée.

Les préconisations scientifiques et techniques issues de chaque partie sont le crissement et la fissuration qui montrent qu’il y a eu des progrès considérables dans la connaissance, la caractérisation et la maîtrise des phénomènes physiques.

Si beaucoup de phénomènes ont été expliqués, l’effet de certains paramètres physiques reste encore confus et les préconisations sont à manier dans leur ensemble avec précautions notamment selon le type d’instabilité mécanique considérée et mise en jeu.

La complexité et les couplages des phénomènes physiques mis en jeu en freinage, tant sur les aspects crissement, fissuration et tribologie doivent être intégrés afin de déboucher sur des solutions optimisées de nouvelles garnitures. Une solution robuste passera donc forcément par des changements et des compromis de géométrie du système de freinage.

Sur la base de ces acquis et sur la base du retour d’expérience des industriels et de leurs savoirs faire acquis, des solutions, existantes ou non, ont été sélectionnées et re-dimensionnées par les industriels avec les adaptations nécessaires découlant des préconisations exposées dans les travaux théoriques.

La nécessité d’établir des compromis et l’intérêt de traiter conjointement les aspects crissement et fissuration dans une démarche de conception complète d’une nouvelle garniture a également été confirmée. Cette démarche conjointe avait été présentée comme un des intérêts et une des originalités majeurs du projet.

En conclusion, des verrous scientifiques subsistent et motiveront des études supplémentaires et approfondies. L’ouverture sur ces perspectives et la formalisation des suites à donner constituent également un résultat important du projet.

Tout d’abord, les perspectives sur la partie crissement suite au projet CrisFis concernent surtout l’amélioration des approches théoriques pour la modélisation des bruits de crissements générés par les freins à disque.

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.

Les travaux numériques développés vont vers une meilleure prédiction des niveaux vibratoires et acoustiques du mécanisme de frein TGV et une identification des paramètres physiques prépondérants dans la génération du bruit.

De manière très schématique, on peut dire que ces modèles développés dans CrisFis sont corrélés mais pas complètement prédictifs, en particulier en raison de la faible variété des garnitures testées et surtout modélisées (la confiance que l’on peut apporter au résultats théoriques sur une configuration complètement virtuelle est assez faible).

Les problèmes à l’origine de cette limitation sont la complexité des systèmes de freinage, en particulier celui étudié dans le cadre du projet (en particulier les liaisons entre les différentes pièces mécaniques), la taille des modèles numériques (en terme de degrés de liberté), en particulier pour les études de stabilité et les calculs transitoires, et la modélisation de l’amortissement dans les structures.

L’NRETS (LTE) et la SNCF ont donc proposé une nouvelle thèse dont le sujet porte d’une part, sur l’étude de méthodes, en particulier l’utilisation de bases réduites, permettant de réduire la taille des systèmes (et donc les temps de calculs) et de mieux recaler les amortissements, d’autre part d’aller vers plus de réalisme en ce qui concerne la modélisation du système de freinage du TGV.

Une autre perspective importante de ce projet est la possibilité d’évaluer « rapidement » en terme de crissement une garniture au banc d’essais. Ceci est maintenant possible grâce aux compétences expérimentales et à la maîtrise du banc d’essais et de sa répétabilité pour le crissement, acquises dans CrisFis.

De même, la possibilité de qualifier une garniture d’un point de vue fissuration en s’appuyant sur des essais de signatures thermiques constitue une réelle avancée vers des démarches couplées calculs/essais de dimensionnement et de validation de nouvelles garnitures au banc. Néanmoins il reste de nombreuses difficultés scientifiques, énoncées précédemment, à lever.

Et enfin, plus précisément sur la partie fissuration, au-delà de la compréhension et de l’analyse de la criticité du couple de friction vis-à-vis des risques d’endommagement, la problématique de la prédiction en termes de durée de vie à l’amorçage reste à finaliser.

Si les nombreux développements ont permis d’améliorer fortement la connaissance des sollicitations exercées et leurs conséquences, ce qui était essentiel, il reste à étudier, dans un objectif prédictif de durée de vie, d’une part l’influence du cumul de ces sollicitations, ce qui est très complexe de par la variabilité de la zone sollicitée.

Et d’autre part le modèle de fatigue le plus pertinent, couplé à une loi de comportement, et ce pour des niveaux de sollicitation thermomécanique très variables. Ce défi devrait pouvoir être mené dans le cadre d’une nouvelle thèse à lancer, avec certains des partenaires du programme.