Fatigue des surfaces : Modélisation mécanique du fonctionnement du contact

1.1 - Familles d’avaries
1.2 - Effets normaux

Figure 1 - Déformations plastiques Figure 2 - Écailles Figure 3 - Microécailles Tableau 1
1.3 - Effets normaux et tangentiels
1.4 - Effets normaux, tangentiels et thermiques
1.5 - Effets physiques et chimiques

Figure 6 - Grippage

2 - Modélisation mécanique du fonctionnement du contact

2.1 - Position du problème

Figure 8 - Concept des trois corps
2.2 - Approches globale et locale

Tableau 2 Tableau 3 Tableau 4 Tableau 5 Tableau 6
2.3 - En résumé, les paramètres significatifs
2.4 - Exemple d’un contact entre deux dents d’engrenage

Tableau 7 Tableau 8

3 - Relations paramètres-avaries de surface

3.1 - Fatigues superficielles
3.2 - Usures
3.3 - Grippage
3.4 - Exemple d’un contact entre deux dents d’engrenage

4 - Conclusion

Bibliographie & annexes

Présentation

Auteur(s)

Louis FLAMAND : Professeur à l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon - Laboratoire de Mécanique des contacts

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INTRODUCTION

Les mécanismes industriels utilisent des pièces en mouvement relatif dont les liaisons sont généralement des paliers hydrostatiques ou hydrodynamiques, des roulements à billes ou à rouleaux, des engrenages ou encore des cames et des poussoirs. Alors que la performance de ces mécanismes dépend de concepts généraux, par exemple la dynamique, l’élasticité, leur fonctionnement et leur fiabilité sont tributaires de concepts de tribologie ou de mécanique des contacts. En effet, les sollicitations provoquées par le contact entre les éléments en mouvement relatif induisent des champs de contraintes et de températures dans la peau de ces éléments qui, comparés aux limites admissibles pour les matériaux, peuvent être à l’origine d’avaries. Cet article a pour objectif de définir les critères qui permettent d’analyser la sévérité du fonctionnement du contact et les risques d’avaries de surface. C’est un problème important, à la fois du point de vue industriel et du point de vue scientifique. En effet, la plupart des mécanismes utilisent des contacts dans leurs liaisons. Les dégradations de ces liaisons constituent encore un handicap important pour leur fiabilité. Par ailleurs, la modélisation de leur fonctionnement et de leurs dégradations constitue un domaine récent dont les aspects pluridisciplinaires en font un secteur très ouvert.

Le domaine de cette étude est limité à celui des contacts élastohydrodynamiques, c’est-à-dire dans lesquels la pression de contact est élevée, de l’ordre de grandeur des limites de comportement élastiques des matériaux. Il s’agit notamment des roulements, des engrenages et des cames, à l’exclusion des paliers.

Dans un premier temps, les familles d’avaries seront présentées puis, à partir de concepts mécaniques, les paramètres du fonctionnement de ces contacts seront définis et enfin certaines limites seront établies.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-b5055

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2. Modélisation mécanique du fonctionnement du contact

2.1 Position du problème

L’analyse du fonctionnement d’un contact élastohydrodynamique dans lequel les surfaces des massifs sont rugueuses est un problème pertinent sur le plan scientifique et très utile d’un point de vue industriel. Sa modélisation est à la frontière de plusieurs domaines de la mécanique : l’élasticité, la mécanique rationnelle, la mécanique des fluides, la rhéologie du lubrifiant et la thermique notamment. Elle fait également appel à d’autres disciplines, telles que la physique des matériaux et la chimie des lubrifiants et des surfaces. Il s’agit donc d’une démarche pluridisciplinaire.

Dans les mécanismes, ces contacts constituent des liaisons dont les caractéristiques dynamiques, raideurs et amortissements, interagissent sur leurs comportements et inversement.

Schématiquement, un contact peut être analysé comme étant composé de trois domaines :

d’une part, les premiers corps 1 et 2, qui sont les massifs associés par la liaison considérée, par exemple les deux dentures d’engrenage (figure 8) ;
d’autre part, le troisième corps 3, qui est le milieu séparateur des premiers corps et qui permet l’accommodation de leur vitesse relative, par exemple le film lubrifiant entre les surfaces de denture.

Dans le cas des contacts très chargés étudiés ici, la non-conformité des surfaces en contact provoque des pressions très élevées, au-delà de 10⁹ Pa. La déformation des massifs doit alors être prise en compte. L’association de l’élasticité des massifs et de l’hydrodynamique du film visqueux séparateur a conduit à qualifier ce régime d’élastohydrodynamique (EHD).

Les démarches de la mécanique des contacts sont récentes. En ce qui concerne l’élastohydrodynamique, elles reposent sur l’analyse simultanée de trois concepts :

l’hydrodynamique des fluides visqueux en film mince ;
le comportement du lubrifiant sous haute pression ;
la déformation des massifs.

Tout d’abord, quelques précurseurs ont abordé ce domaine, mais sans rassembler les trois concepts, par exemple Martin (1916).

Ce n’est qu’avec les travaux de Grubin et Vinogradova, en 1949, que la première démarche véritablement élastohydrodynamique...

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