Identifier les modes In-Plane des disques de frein par vibrométrie 3D à balayage

Un disque de frein présente trois familles de modes. Le crissement à haute fréquence en implique généralement au moins deux. Chaque famille se caractérise par le nombre de diamètres nodaux (n) et, pour les modes de flexion, également par le nombre de cercles nodaux (m).

Les animations suivantes présentent chacune un mode de l’une des trois familles de modes. Elles ont été générées à partir des fonctions de réponse en fréquence (FRF) mesurées.

Le couplage modal à l’origine du crissement

Le mécanisme déterminant est le couplage modal. Sous l’effet du frottement, un mode OOP et un mode In-Plane présentant le même nombre de diamètres nodaux peuvent voir leurs fréquences converger jusqu’à se confondre et devenir instables. Il s’agit d’une cause classique de crissement à haute fréquence.

Le mode In-Plane couplé est rarement visible dans le spectre acoustique. C’est pourtant sur ce mode que doit porter la mesure corrective.

Pourquoi les modes In-Plane sont difficiles à identifier

• Fréquences très proches : Sur les disques de frein de voitures particulières, les modes In-Plane et OOP d’ordre similaire ne sont souvent séparés que de quelques dizaines de Hertz, parfois moins encore.
• Mouvement axial supplémentaire : Le bol est décalé par rapport à la piste de friction. Les modes In-Plane génèrent donc également un mouvement axial sur la surface de friction et apparaissent, lors d’une mesure uniaxiale, comme un mode de flexion supplémentaire.
• Doublets : Chaque mode avec n > 0 existe sous la forme d’une paire de modes de même forme. Les ailettes de refroidissement, les perçages et les hétérogénéités du matériau créent un écart de quelques Hertz entre les deux modes de chaque paire. Le nombre de pics très proches s’en trouve multiplié.

Un vibromètre à balayage 3D dirige trois faisceaux laser synchronisés vers un même point, depuis des directions différentes. Chaque faisceau mesure la projection du vecteur vitesse local sur son propre axe. Ensemble, les trois mesures permettent de reconstituer le vecteur complet, sans contact avec le disque.

L’axe du disque de frein constitue sa référence naturelle. En décomposant le vecteur en chaque point par rapport à cet axe, on obtient les trois composantes permettant de classer les modes du disque :

• Axial : Mouvement de flexion hors du plan du disque.
• Radial : Mouvement dans le plan du disque, vers l’axe ou à l’opposé de celui-ci.
• Tangentiel : mouvement dans le plan du disque, le long de sa circonférence.

Le résultat essentiel d’un scan 3D est la répartition du mouvement de chaque mode entre les directions axiale, radiale et tangentielle. Sur un disque de voiture à ventilation interne typique, il révèle ainsi trois situations qu’un spectre seul ne permet pas de distinguer :

• Paires de modes couplés masquées : Là où le spectre présente un seul pic large, les données 3D permettent souvent de distinguer deux modes : un mode de flexion Out-of-Plane et un mode tangentiel In-Plane présentant le même nombre de diamètres nodaux. Il s’agit de la paire classique à l’origine du crissement par couplage modal. La mesure corrective doit cibler le mode In-Plane de cette paire.
• Modes In-Plane ressemblant à des modes de flexion : En raison du décalage du bol par rapport à la piste de friction, les modes In-Plane présentent également un mouvement axial marqué. Lors d’une mesure sur un seul axe, ils ressemblent à un mode de flexion supplémentaire. Seule la prédominance de la composante In-Plane permet de les identifier correctement.
• Doublets séparés : Deux modes de même forme, mais de fréquences légèrement différentes, apparaissent sous forme de pics distincts. Leur écart constitue un indicateur direct de l’asymétrie du disque et permet d’évaluer la disposition des ailettes de refroidissement ou les variations liées à la coulée.