Procédé et installation permettant de déterminer des couples de matériauxMethod and apparatus for determining pairs of materials
susceptibles de générer entre eux du bruit par frottement. La présente invention concerne un procédé et une installation permettant de déterminer des couples de matériaux qui, associés entre eux, sont susceptibles de générer entre eux du bruit par frottement. L'amélioration toujours croissante de l'isolation phonique des véhicules a conduit à mettre en évidence les bruits spécifiques à l'habitacle. Ces bruits sont en partie causés par des phénomènes de frottement. Lors d'une prise de décision quant à l'utilisation ou non d'un couple de matériaux, il est donc essentiel d'avoir une vision fiable des risques potentiels en terme de bruit engendré par frottement. Il est par conséquent souhaitable de disposer d'une méthode d'analyse et d'un moyen de contrôle des matériaux afin d'évaluer le risque potentiel de bruit par frottement (phénomène de stick-slip). Les différentes méthodes et moyens d'essais utilisés pour la caractérisation du bruit engendré par frottement du type stick-slip sont très spécifiques, de ce fait, les résultats obtenus portent la signature de la méthode et du moyen d'essai et ne sont pas des données fiables et universelles. A cet effet, différentes méthodes d'analyse ont été étudiées, à savoir : - les méthodes d'analyses acoustiques basées sur la reproduction des bruits, - les méthodes d'analyses vibratoires basées sur la reproduction des oscillations. Ces méthodes établissent un classement des matériaux dont la hiérarchie est assujettie à la masse et la raideur des pièces et du moyen d'essai. L'avis issu de ces méthodes n'a donc pas le caractère absolu d'une donnée matériau. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients des solutions connues. Ce but est atteint selon l'invention grâce à un procédé permettant de déterminer des couples de matériaux qui, associés entre eux, sont susceptibles de générer du bruit par frottement, caractérisé par les étapes suivantes : - on met en contact deux éprouvettes des matériaux à tester, likely to generate friction noise between them. The present invention relates to a method and an installation for determining pairs of materials which, associated with each other, are capable of generating friction noise between them. The ever increasing improvement of the sound insulation of vehicles has led to the highlighting of specific cabin noise. These noises are partly caused by friction phenomena. When making decisions about whether or not to use a couple of materials, it is therefore essential to have a reliable view of the potential risks in terms of noise generated by friction. It is therefore desirable to have a method of analysis and a material control means to evaluate the potential risk of friction noise (stick-slip phenomenon). The different methods and test methods used for the characterization of the noise generated by friction of the stick-slip type are very specific, therefore the results obtained bear the signature of the method and the test means and are not reliable and universal data. To this end, different methods of analysis have been studied, namely: - acoustic analysis methods based on noise reproduction, - vibratory analysis methods based on oscillation reproduction. These methods establish a classification of the materials whose hierarchy is subject to the mass and the stiffness of the parts and the means of test. The opinion resulting from these methods does not have the absolute character of a given material. The object of the present invention is to overcome the disadvantages of known solutions. This object is achieved according to the invention by means of a method for determining pairs of materials which, associated with each other, are capable of generating frictional noise, characterized by the following steps: two test pieces of the materials are contacted; test,
on soumet l'une des éprouvettes à un mouvement alternatif de translation par rapport à l'autre éprouvette pour que l'une des éprouvettes frotte sur l'autre éprouvette, on fait varier la vitesse de glissement de l'une des éprouvettes par rapport à l'autre éprouvette, on mesure les efforts de frottement pour différentes vitesses de glissement, - on calcule à partir de ces efforts de frottement, les coefficients de frottement, - on établit la courbe de l'évolution des coefficients de frottement en fonction de la vitesse et à partir de l'allure de cette courbe, - on apprécie si le couple des matériaux testés est susceptible de générer du bruit par frottement. De préférence, on détermine pour chaque vitesse de glissement la moyenne de l'effort de frottement. De préférence également : lorsque la courbe montre que le coefficient de frottement augmente en fonction de la vitesse ou reste constante, on considère que le couple des matériaux testés n'est pas susceptible de générer du bruit par frottement, et -lorsque la courbe montre, au contraire, que le coefficient de frottement diminue en fonction de la vitesse, on considère que le couple des matériaux testés est susceptible de générer du bruit par frottement et on préconise de ne pas utiliser ce couple de matériaux. Cette façon de procéder, permet de sélectionner ou d'éliminer d'une manière précise et fiable des couples de matériaux. Selon un autre aspect de l'invention, l'installation pour la mise en oeuvre du procédé est caractérisée en ce qu'elle comprend : un chariot posé sur un plateau horizontal, l'une des extrémités du chariot étant en appui contre une butée, une première éprouvette fixée sur le chariot, une seconde éprouvette posée sur la première éprouvette, cette seconde éprouvette étant fixée à un bras articulé à un support, ce support étant relié à l'extrémité de la tige d'un vérin dont l'axe est aligné avec le bras, ce vérin étant piloté pour déplacer le bras et la seconde éprouvette selon un mouvement de translation alternatif, un capteur d'effort inséré entre le chariot et la butée. De préférence, l'installation comprend un système de pilotage 5 capable d'assurer les fonctions suivantes : régler les paramètres de mesure et de pilotage, déclencher et stopper le mouvement du vérin, régler la vitesse de translation du vérin, mesurer les efforts de frottement à partir des signaux délivrés par 10 le capteur d'effort, mesurer la position du vérin, filtrer les signaux de mesure, calculer les coefficients de frottement entre les éprouvettes testées, 15 - stocker les données. Selon une réalisation avantageuse de l'installation, le système de pilotage comprend un PC capable de déterminer et d'afficher la courbe de l'évolution du coefficient de frottement en fonction de la vitesse de translation du vérin. 20 De préférence, le vérin est piloté pour se déplacer à des vitesses constantes de 0,01. mm/s à 10 mm/s. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore tout au long de la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples, non limitatifs : 25 - la figure 1 est une vue schématique d'ensemble de l'installation selon l'invention, la figure 2 est une courbe montrant l'évolution de la vitesse de déplacement du vérin et de la force de frottement lors d'un aller-retour du vérin, 30 - les figures 3, 4 et 5 montrent trois allures de courbe montrant l'évolution du coefficient de frottement en fonction de la vitesse de glissement. L'installation représentée sur la figure 1 comprend : - un chariot 1 posé sur un plateau horizontal 2, l'une des 35 extrémités du chariot 1 étant en appui contre une butée 3, - une première éprouvette 4 fixée sur le chariot 1, one of the test pieces is reciprocated in translation with respect to the other test piece so that one of the test pieces rubs on the other test piece, the sliding speed of one of the test pieces is varied with respect to the other test piece, the friction forces are measured for different sliding speeds, - the coefficients of friction are calculated from these friction forces, - the curve of the evolution of the coefficients of friction as a function of the speed and from the shape of this curve, it is appreciated if the pair of tested materials is capable of generating friction noise. Preferably, for each sliding speed, the average of the friction force is determined. Preferably also: when the curve shows that the coefficient of friction increases as a function of the speed or remains constant, it is considered that the pair of materials tested is not likely to generate friction noise, and -when the curve shows, on the contrary, that the coefficient of friction decreases as a function of the speed, it is considered that the pair of materials tested is likely to generate friction noise and it is recommended not to use this pair of materials. This way of proceeding makes it possible to select or eliminate pairs of materials in a precise and reliable manner. According to another aspect of the invention, the installation for carrying out the method is characterized in that it comprises: a carriage placed on a horizontal plate, one of the ends of the carriage being in abutment against a stop, a first specimen fixed on the carriage, a second specimen placed on the first specimen, this second specimen being fixed to an arm articulated to a support, this support being connected to the end of the rod of a jack whose axis is aligned with the arm, the cylinder being controlled to move the arm and the second test piece in an alternating translational movement, a force sensor inserted between the carriage and the stop. Preferably, the installation comprises a control system 5 capable of performing the following functions: adjusting the measurement and control parameters, triggering and stopping the movement of the jack, adjusting the translation speed of the jack, measuring the friction forces from the signals delivered by the force sensor, measure the position of the cylinder, filter the measurement signals, calculate the coefficients of friction between the test pieces tested, 15 - store the data. According to an advantageous embodiment of the installation, the control system comprises a PC capable of determining and displaying the curve of the evolution of the coefficient of friction as a function of the translation speed of the jack. Preferably, the jack is driven to move at constant speeds of 0.01. mm / s to 10 mm / s. Other features and advantages of the invention will become apparent throughout the description below. In the accompanying drawings, given by way of nonlimiting example: FIG. 1 is a schematic overall view of the installation according to the invention, FIG. 2 is a curve showing the evolution of the movement speed. of the cylinder and the friction force during a round trip of the cylinder, - Figures 3, 4 and 5 show three curves showing the evolution of the coefficient of friction as a function of the sliding speed. The installation shown in FIG. 1 comprises: - a carriage 1 placed on a horizontal plate 2, one of the ends of the carriage 1 being in abutment against a stop 3, - a first specimen 4 fixed on the carriage 1,
- une seconde éprouvette 5 posée sur la première éprouvette 4, cette seconde éprouvette 5 étant fixée à un bras 6 articulé à un support 7, ce support 7 étant relié à l'extrémité de la tige 8 d'un vérin 9 dont l'axe est aligné avec le bras 6, - ce vérin 9 étant piloté pour déplacer le bras 6 et la seconde éprouvette 5 selon un mouvement de translation alternatif, un capteur d'effort 10 inséré entre le chariot 1 et la butée 3. L'installation comprend de plus un système de pilotage capable d'assurer les fonctions suivantes : régler les paramètres de mesure et de pilotage, - déclencher et stopper le mouvement du vérin 9, régler la vitesse de translation du vérin 9, mesurer les efforts de frottement à partir des signaux délivrés par le capteur d'effort 10, mesurer la position du vérin 9, filtrer les signaux de mesure, - calculer les coefficients de frottement entre les éprouvettes testées 4, 5, - stocker les données. Dans l'exemple représenté, le système de pilotage comprend un PC 11 capable de déterminer et d'afficher la courbe de l'évolution du coefficient de frottement en fonction de la vitesse de translation du vérin 9. a second specimen 5 placed on the first specimen 4, this second specimen 5 being fixed to an arm 6 articulated to a support 7, this support 7 being connected to the end of the rod 8 of a cylinder 9 whose axis is aligned with the arm 6, - this jack 9 being controlled to move the arm 6 and the second test piece 5 in an alternating translational movement, a force sensor 10 inserted between the carriage 1 and the stop 3. The installation comprises in addition, a control system capable of performing the following functions: setting the measurement and control parameters, - triggering and stopping the movement of the jack 9, adjusting the translation speed of the jack 9, measuring the friction forces from the signals delivered by the force sensor 10, measuring the position of the cylinder 9, filtering the measurement signals, - calculating the coefficients of friction between the test pieces 4, 5, - storing the data. In the example shown, the control system comprises a PC 11 capable of determining and displaying the curve of the evolution of the coefficient of friction as a function of the translation speed of the jack 9.
Le programme utilisé est développé en langage C++ sous l'éditeur National Instrument CVI 7. Ce programme est scindé en deux parties complémentaires : 1. Le paramétrage de tous les items de mesure et de pilotage. 2. Les mesures et traitements automatisés des courbes de frottement. Ces deux principales fonctions sont scindées et matérialisées sous la forme de deux écrans distincts du PC. The program used is developed in C ++ language in the National Instrument CVI 7 editor. This program is split into two complementary parts: 1. Parameterization of all measurement and control items. 2. Automated measurements and treatments of friction curves. These two main functions are split and materialized as two separate screens of the PC.
1) Le paramétrage L'opérateur documente les paramètres suivants : Le gain et les offsets des voies de mesure (effort déplacement) - La détection. des positions du vérin 9 rentré et vérin sorti 1) Parameterization The operator documents the following parameters: The gain and the offsets of the measuring channels (displacement force) - The detection. positions of the jack 9 retracted and jack out
- Le pas minimum de la mesure (en mm) - La course morte qui ne sera pas prise en compte lors des mesures (phase durant laquelle le vérin 9 accélère ou décélère). Pour permettre tous ces réglages, l'utilisateur dispose d'afficheurs présents sous la forme de deux graphes déroulants (pour le déplacement du vérin 9 et l'effort de frottement) et d'une étiquette numérique indiquant la valeur moyenne de l'effort. Le graphique déroulant de l'effort est paramétrable afin d'optimiser sa visualisation. Une fois tous les réglages finalisés, l'utilisateur peut stocker tous les paramètres sous la forme d'un fichier items stocké sur le support désiré. Lors d'une nouvelle utilisation, dans des conditions de fonctionnement similaires, il est donc possible de rappeler ce fichier items et ainsi d'éviter le réglage. 2) Les mesures et traitements automatisés des courbes de frottement L'utilisateur détermine les différents paramètres utilisés lors de la mesure pour : Le calcul du coefficient de frottement moyen - Les différentes vitesses du vérin 9 - Le filtrage du signal Les sauvegardes des données (en format .txt utilisables sous Excel) L'activation des copies d'écran des essais (images au 25 format .bmp). Une fois les paramètres fixés l'opérateur démarre la mesure. Le programme trace l'évolution du coefficient de frottement moyen en fonction de la vitesse de glissement. Pour y parvenir, il enchaîne autant de fois que nécessaire les opérations suivantes : 30 Le pilotage d'un aller retour du vérin 9 à la vitesse demandée - La visualisation sur un cycle des courbes brutes, filtrées et du bornage Le positionnement du point de mesure sur le graphe (frottement/ glissement) 35 - Un afficheur permet de contrôler au fur et à mesure le coefficient de frottement pour chaque vitesse. - The minimum pitch of the measurement (in mm) - The dead stroke which will not be taken into account during the measurements (phase during which the cylinder 9 accelerates or decelerates). To allow all these adjustments, the user has displays present in the form of two scrolling graphs (for the displacement of the cylinder 9 and the friction force) and a digital tag indicating the average value of the effort. The pull down graph of the effort is configurable to optimize its visualization. Once all the settings are finalized, the user can store all the parameters in the form of an item file stored on the desired medium. During a new use, under similar operating conditions, it is therefore possible to recall this file items and thus avoid adjustment. 2) Automated measurements and treatments of the friction curves The user determines the different parameters used during the measurement for: The calculation of the average coefficient of friction - The different speeds of the cylinder 9 - The signal filtering The data backups (in format .txt usable in Excel) Activation of screen shots of the tests (images in .bmp format). Once the parameters are set the operator starts the measurement. The program traces the evolution of the average coefficient of friction as a function of the sliding speed. To achieve this, it goes as many times as necessary the following operations: 30 The piloting of a return of the cylinder 9 at the required speed - The visualization on a cycle of the raw, filtered and boundary curves The positioning of the measuring point on the graph (friction / sliding) 35 - A display makes it possible to control progressively the coefficient of friction for each speed.
Un exemple de tracé sous forme de courbe des mesures brutes issues d'un aller et retour du vérin est illustré par la figure 2. L'effort de frottement et le déplacement du vérin y sont tracés en fonction du temps. An example of a plot in the form of a curve of the raw measurements coming from a round trip of the jack is illustrated in FIG. 2. The friction force and the displacement of the jack are plotted against the time.
Sur cette figure 2, on a également visualisé l'effort de frottement après filtrage, ainsi que les bornages a, b, c, d utilisés pour le calcul des valeurs moyennes du coefficient de frottement. Le tracé des bornes permet de distinguer les zones de mesures dans lesquelles le programme réalise le calcul du coefficient de 10 frottement moyen. Le bras articulé 6 applique sur les échantillons 5, 4 une force constante F. Le vérin 9 est piloté pour se déplacer à des vitesses constantes de 0,01 mm/s à 10 mm/s. 15 Le capteur d'effort 10 convertit l'effort de frottement en un signal électrique réceptionné par un pont de gauges d'extensométrie 12. La sortie du pont de gauges d'extensométrie est reliée au PC 11. Les courbes montrant l'évolution du coefficient de frottement en fonction de la vitesse de glissement entre les deux échantillons sont 20 interprétées de la façon suivante : lorsque la courbe montre que le coefficient de frottement augmente en fonction de la vitesse (voir figure 3) ou reste constante (voir figure 4), on considère que le couple des matériaux testés n'est pas susceptible de générer du bruit par 25 frottement, et lorsque la courbe montre, au contraire, que le coefficient de frottement diminue en fonction de la vitesse (voir figure 5), on considère que le couple des matériaux testés est susceptible de générer du bruit par frottement et on préconise de ne pas utiliser 30 ce couple de matériaux. Cette façon de procéder est basée sur les considérations suivantes. Le phénomène de stick-slip est dû à une oscillation de l'effort de frottement, qui, par l'intermédiaire des raideurs de liaison, peut produire une émission sonore. Pour éviter l'apparition du phénomène 35 de stick-slip, il convient donc d'avoir un couple de matériaux dont le coefficient de frottement statique (pS) est toujours inférieur ou bien égal aux coefficients de frottement dynamiques (pD). En d'autres termes, FIG. 2 also shows the friction force after filtering, as well as the limits a, b, c, d used for calculating the average values of the coefficient of friction. The plot of the terminals makes it possible to distinguish the measurement zones in which the program calculates the coefficient of average friction. The articulated arm 6 applies on samples 5, 4 a constant force F. The cylinder 9 is controlled to move at constant speeds of 0.01 mm / s to 10 mm / s. The force sensor 10 converts the friction force into an electrical signal received by an extensometer gauge bridge 12. The output of the extensometry gauge bridge is connected to the PC 11. The curves showing the evolution of the coefficient of friction as a function of the sliding speed between the two samples are interpreted as follows: when the curve shows that the coefficient of friction increases as a function of the speed (see FIG. 3) or remains constant (see FIG. 4) it is considered that the pair of materials tested is not capable of generating frictional noise, and when the curve shows, on the contrary, that the coefficient of friction decreases as a function of speed (see FIG. 5), it is considered that that the pair of tested materials is likely to generate friction noise and it is recommended not to use this pair of materials. This procedure is based on the following considerations. The stick-slip phenomenon is due to an oscillation of the friction force, which, via the binding stiffnesses, can produce a sound emission. To avoid the occurrence of the phenomenon of stick-slip, it is therefore necessary to have a pair of materials whose static coefficient of friction (pS) is always less than or equal to the dynamic coefficients of friction (pD). In other words,
lors de la caractérisation en frottement d'un couple de matériaux, il est indispensable d'obtenir des courbes du type des figures 3 ou 4 mais jamais une courbe de type de la figure 5. L'application préférée de l'invention concerne l'automobile, dans laquelle, il est important de faire un choix rigoureux des matériaux susceptibles de frotter les uns sur les autres sous l'effet des vibrations et d'émettre en l'absence de lubrifiant des bruits du type stick-slip. Le procédé et l'installation selon l'invention ont été testés avec succès notamment sur les couples de matériaux suivants : différents vernis bague en EPDM/Pion en PPMD20 bague en EPDM/Tôle peinte bague en POM/Rail en PET + PBT + 20% de fibres de verre. during the characterization in friction of a pair of materials, it is essential to obtain curves of the type of FIGS. 3 or 4 but never a curve of the type of FIG. 5. The preferred application of the invention concerns the automotive, in which, it is important to make a careful choice of materials likely to rub on each other under the effect of vibration and emit in the absence of lubricant stick-like noises. The method and the installation according to the invention have been successfully tested in particular on the following pairs of materials: different EPDM / PION ring varnishes in PPMD20 EPDM ring / painted sheet POM / Rail ring in PET + PBT + 20% fiberglass.