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Chapitre 1 : État de l'art

1.7 Mécanique du contact

1.7.3 Contact roulant

1.7.3.1 Concepts de base

On peut distinguer deux formes de mouvement pour une roue en déplacement : un

mouvement de glissement pour lequel tous les points de la roue ont la même vitesse que

le centre de gravité de la roue et un mouvement de roulement pur qui est composé d'un

mouvement de translation et d'une rotation des points autour de son centre de gravité

avec une vitesse angulaire spécique. En roulement pur, la vitesse angulaireωdevrait être

égale à v0/r0 où v0 est la vitesse d'avance et r0 le rayon de la roue. Dans le roulement

pur, au point de contact, la composante de vitesse due à la rotation équilibre celle du

glissement. Le point de contact est ainsi xe et sert de centre de rotation instantanée. La

gure 1.14(a)donne une illustration du roulement pur.

v

0

v

0

r

0

r

0

ω

r0

ω

r0ω

r

(a)

v

0

v

0

r

0

r

0

r

2v

0

+ r

0

'

r

0

r

0

= v0/r0+ '

(b)

Cependant, la roue peut ne pas être en rotation qu'avec la seule vitesse angulairev0/r0.

Il peut y avoir un dépassement de vitesse dû à l'inertie ou une diminution due à toutes

formes de résistance au roulement. Si cette dernière est notée ω0 alors ω = v0/r00.

Dans ce cas, le point de contact n'est pas xe mais un mouvement relatif existe entre les

surfaces en contact. Il y a donc un roulement glissant. Ceci est illustré par la gure1.14(b).

Selon cette dénition, un frottement se produit quand il y a un mouvement relatif

entre l'interface des deux corps en contact. Ainsi, dans le roulement pur, aucune vitesse

relative n'existe à l'interface, aucun frottement n'apparait. D'autre part, pour un

roule-ment glissant, une vitesse diérente de zéro au point de contact implique un mouveroule-ment

relatif entre les points matériels en contact et donc une force de frottement. Notons que,

contrairement au mouvement relatif global des corps en contact, cette force s'oppose au

mouvement relatif à l'interface. En eet, cette force de frottement permet à la roue un

changement de vitesse de roulement. Pour freiner ou accélérer cette roue en roulement,

un couple doit être appliqué à cette dernière an de produire respectivement une

dimi-nution ou une augmentation de vitesse. Par conséquent, un mouvement relatif se produit

au contact et génère la force de frottement nécessaire dans la direction désirée an de

changer l'accélération ou le ralentissement de la roue. Une illustration de ce phénomène

est présentée sur la gure 1.15.

r

0

F

Sens du roulement

(a)

ω'

F

Sens du roulement

(b)

Figure 1.15 (a) Accélération et (b) freinage d'une roue par application d'un couple C.

Généralement pour un corps rigide en roulement, le point en contact adhère

instanta-nément à l'autre surface (roulement pur) ou glisse (roulement-glissant). En réalité, puisque

les solides en contact sont déformables, ils génèrent une surface de contact. Il existe sur

cette surface des points qui subissent des déformations et peuvent inuencer la vitesse

re-lative de ces points mais les vitesses rere-latives dues au mouvement de corps rigides peuvent

être compensées par la déformation élastique des corps. Ceci peut se produire sur une zone

à l'intérieur de la surface de contact, appelée la zone d'adhérence, où les points

corres-pondants sont collés les uns aux autres. Pour d'autres points dans la zone de contact

mais à l'extérieur de la zone d'adhérence, les vitesses des corps rigides dépassent la

contri-bution élastique et les points correspondants commencent à glisser l'un avec l'autre. Ce

phénomène s'appelle le micro-glissement [87]. Kalker [91] a repris une dénition de

Car-ter [92] dénissant ce phénomène et introduisant les glissements relatifs de corps rigide(ou

pseudoglissements) longitudinal et latéral ( creepages ) et de pivotement ( spin ).

1.7.3.2 Théorie de Carter

Carter [92] fut le premier à développer une solution analytique pour le contact roulant

(tractif) avec une application au contact roue-rail en 1926. Fromm [93] proposa en

1927 une théorie similaire à celle de Hertz pour l'analyse du glissement de disques

élas-tiques roulants. Carter s'est intéressé particulièrement aux forces tractives et de freinage

des roues des locomotives et a basé son travail sur des études de Reynolds sur les courroies.

Pour la résolution, Carter a ramené le problème à un contact cylindre sur plan [92].

Pour un cylindre roulant sur un plan en régime stationnaire, avec un taux de glissement

donné, la pression de contact est estimée par la formulation de Hertz. Ainsi, la surface

de contact s'étend sur une largeur de 2a (selon Hertz). Carter a montré que lorsqu'il y a

roulement entre deux corps en présence de frottement, il y a apparition de cisaillement

à l'interface des surfaces en contact et on observe sur la surface de contact, une partie

en adhérence et l'autre en glissement. Le cisaillement total en surface est donné par

l'equation (1.19).

qx =qx0 +q00x, (1.19)

q0x=µp0

r

1−x

a

2

−a≤x≤a,

q00x =−(ad)

a µp0

s

1−

x−d

a−d

2

−a+ 2d≤x≤a,

(1.20a)

(1.20b)

2détant la largeur de la zone de glissement,µreprésentant le coecient de frottement et

p0 la pression maximale selon Hertz. Une représentation de la distribution du cisaillement

est montrée à la gure 1.16. An de relier le glissement relatif longitudinal à la force

qx = q' + q''

q''

q' = µp(x)

qx

x

a a

a-d a-d

d d

Glissement Adhérence

Sens du roulement

Figure 1.16 Distribution de la contrainte de cisaillement selon la théorie de Carter

pour un contact roulant cylindre/plan

de traction longitudinale, Carter a déni une relation entre d et cette dernière selon

l'équation (1.21) sur la surface de contact :

d=a 1−

s

1− Q

µN

!

(1.21)

oùN est l'eort normal et Qest l'eort tangentiel total (ou eort tractif). Il dénit alors

le taux de glissement tangentiel selon la direction longitudinaleξx par :

ξx =−µa

R 1

s

1− Q

µN

!

(1.22)

oùR est le rayon de courbure du cylindre.

Ainsi, le problème d' adhérence/glissement fut résolu malgré une résolution

uni-dimensionnelle. Elle a été amélioré plus tard par Haines et Ollerton [94] par la théorie

des bandes pour une extension bidimensionnnelle suivi de la théorie de Vermeulen et

Johnson [95]. Les limites de ces deux dernières théories seront démontrés plus tard par

Kalker [91]. Après Carter et Fromm, Cattaneo [96] puis Midlin [97] se sont penchés sur le

problème de glissement partiel mais pour un mouvement de type débattement . Leur

solution analytique est également unidimensionnelle. Une surface de contact sphérique sur

laquelle est appliquée un eort normal et tangentiel est considérée. Un anneau de micro

glissement est alors observé autour d'une zone centrale d'adhérence.

1.7.3.3 Théorie complète de kalker

Les travaux de Kalker ont considérablement contribué à la résolution des problèmes

de contact roulant. Bien que son application soit restreinte au départ au contact roue sur

rail, on peut l'étendre à d'autres applications. Initiée par la théorie linéaire [91], elle a

subit des améliorations jusqu'à la théorie complète [98]. Cette dernière théorie considère

toutes les combinaisons possibles des glissements tangentiels et de pivotements pour deux

solides de révolution élastiques quelconques en contact. La théorie complète de Kalker

est basée sur le principe de l'énergie complémentaire maximale. Cette théorie s'appelle

parfois la théorie variationnelle de Kalker parce qu'utilisant une approche variationnelle,

le problème de contact roulant est formulé sous sa forme faible et la solution trouvée

remplit les conditions de l'hypothèse de l'espace semi-inni élastique et des conditions

limites du contact roulant en surface.

La théorie de Kalker est basée sur les hypothèses suivantes :

• les matériaux sont homogènes, élastiques linéaires

• les massifs semi-innis

• la loi de frottement est celle de Coulomb

La théorie de Kalker est mise en application dans un code numérique appelé

CONTACT [99]. Dans ce code de calcul, la surface de contact potentielle est une donnée

d'entrée. Cette surface est alors discrétisée par des éléments rectangulaires de même

taille. La pression et le cisaillement de contact sur chaque élément sont constants.

Le problème de contact normal est résolu en premier en utilisant un algorithme appelé

NORM. Les équations de Boussinesq-Cerruti pour les espaces élastiques semi-innis sont

utilisés pour relier les déformations surfaciques aux pressions de contact. Pour trouver

la surface de contact de la zone potentielle du contact, un processus itératif est opéré

dans l'algorithme NORM. Cet algorithme est habituellement la partie numérique la plus

exigeante du code CONTACT en cas de contacts non-hertziens.

Après l'obtention de la distribution de pression sur la surface de contact, la contrainte

de cisaillement sur chaque élément est calculée en utilisant l'algorithme TANG. Des

équations linéaires de glissement dans la zone d'adhérence et des équations non linéaires

de contraintes de cisaillement dans la zone de glissement sont résolues par TANG. Les

équations non linéaires exigent alors un solveur non linéaire tel que la méthode

itérative de Newton-Raphson.

Pour des matériaux non quasi-identiques en contact, les problèmes normaux et

tan-gentiels de contact sont couplés et ne peuvent pas être traités indépendamment. Dans ce

cas, Kalker a développé un algorithme appelé KOMBI utilisé dans CONTACT. KOMBI

est une modication de l'approche de Panagiotopoulos [98], où le problème normal est

alors résolu en supposant un contact sans frottement. La partie tangentielle est résolue

considérant l'eet normal précédemment calculé. Le contact normal est de nouveau résolu

considérant l'eet de la solution tangentielle. Ce processus est répété jusqu'à convergence

de la solution. Kalker avait mentionné que l'algorithme KOMBI ne converge pas

tou-jours [98].

Le schéma itératif utilisé pour trouver la surface de contact dans NORM et la

so-lution du système d'équations non linéaires avec TANG, font du code CONTACT un

code numériquement exigeant. Par conséquent, il est rarement utilisé dans une

simula-tion en dynamique. CONTACT est habituellement employé comme référence pour évaluer

d'autres modèles rapides et ecaces dans le cas des contacts non conformes.

1.7.3.4 Contact Hertzien avec frottement

Dans leurs travaux Al-Bender et De Moerlooze [100] ont mentioné qu'avant que

n'im-porte quel pré-roulement soit initié, un champ de cisaillement existe sur la surface de

contact dû au chargement normal de celui-ci. La valeur initiale du champ de cisaillement

nécessaire pour résoudre le problème de pré-roulement, peut être calculée en considérant

un contact axi-symétrique hertzien entre une sphère et une surface plane. En supposant

un chargement normal de la sphère avec prise en compte du frottement entre celle-ci et sa

surface de contact, le champ de cisaillement résultant qxy est donné par Hills et al. [101]

selon l'équation (1.23).

qxy(r)

µp0

=√

1−r2−rH(rs−r)

Z r

s

r

Ψ(t, rs)

t2√

1−t2dt (1.23)

où 0 < r < 1 est la coordonnée radiale adimensionnelle (la surface de contact se situe

dans le plan (x, y)), r = px2+y2/a, a étant le rayon de la surface de contact donné

par eq.(1.15),rs est le rayon adimensionnel de la zone d'adhérence, µ est le coecient de

frottement local, p0 est la pression maximale selon eq. (1.17),

H(p) =

(

1, if p≥0,

0, if p <0. (1.24)

est la fonction de Heaviside, et Ψ(t, rs) est donnée par des formulations intégrales

(cf. [100]). Une fois en roulement total, ce champ de cisaillement (équation (1.23)) sert de

valeur initiale au roulement pour calculer le cisaillement.

1.7.4 Généralités sur les modèles numériques de la mécanique du