Article de référence | Réf : TRI100 v1

Introduction à la tribologie

Auteur(s) : Jean FRÊNE, Hamid ZAÏDI

Relu et validé le 05 janv. 2018

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RÉSUMÉ

La tribologie est la science qui étudie les phénomènes susceptibles de se produire entre des systèmes en contact, immobiles ou en mouvements relatifs. Elle regroupe ainsi la lubrification, le frottement et l'usure des éléments. La tribologie intervient dans des domaines très variés, allant du comportement des articulations, à l’adhérence des pneumatiques sur la route, en passant par la tenue du fœtus dans le placenta. La tribologie a été subdivisée en deux grands domaines : les contacts lubrifiés par des fluides et les contacts dits secs pour lesquels le lubrifiant est soit un lubrifiant solide, soit un revêtement ou un traitement de surface. L’étude des contacts en frottement sec est plus complexe et reste difficile à modéliser. Chaque contact tribologique constitue un cas d'étude particulier qui est lié à sa conception, aux choix des matériaux et à l'environnement du contact.

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ABSTRACT

Introduction to tribology

Tribology is a science that studies phenomena which are likely to occur between systems in contact, be they immobile or in relative movements. It thus regroups lubrication, friction and elements wear. Tribology is involved in very varied domains ranging from joints behavior to tyre grip on the road and including the foetus grip in the placenta. Tribology has been divided into two main domains: contacts lubricated by fluids and contacts called dry in which the lubricant is either a solid lubricant, a coating or a surface treatment. The study of contacts in dry friction is more complex and remains difficult to model. Each tribological contact constitutes a particular case study linked to its designing, the choices of materials and the environment of the contact.

Auteur(s)

  • Jean FRÊNE : Professeur émérite à l'université de Poitiers - Membre de l'Académie des technologies

  • Hamid ZAÏDI : Professeur à l'IUT de Poitiers - Université de Poitiers

INTRODUCTION

Le nom tribologie a été créé en Angleterre ; il a été utilisé pour la première fois dans le rapport [1] présenté le 23 novembre 1965 au Minister of State for Education and Science et publié en février 1966. Ce nom vient du grec τρβειν (tribein : frotter) et λóγος (logos : parole, étude ou science ); ainsi la tribologie est l'étude ou la science du frottement. Plus généralement la tribologie concerne l'étude des surfaces en contact et en mouvement relatif, elle regroupe ainsi la lubrification, le frottement et l'usure des éléments de machine. Notons que la notion de frottement a été définie dans les études remarquables [2] de Léonard de Vinci, de Guillaume Amontons et de Charles Coulomb aux xve, xvie et xviiie siècles. Le frottement fait intervenir de nombreux phénomènes, mais de façon simple on peut le définir comme étant l'action qui tend à s'opposer au déplacement relatif de deux solides en contact. De même l'usure, qui peut prendre de très nombreuses formes, correspond à la détérioration des surfaces au cours de leur utilisation.

La tribologie est présente dans la plupart des activités humaines et son domaine, depuis ces cinquante dernières années, s'est largement développé. On peut citer, entre autres, la marche humaine avec l'adhérence au sol, le comportement des articulations et le développement des prothèses, la tenue d'objets à la main, ou encore la tenue du fœtus dans le placenta, la tenue sur route des roues de voitures qui se trouvent paralysées les jours de verglas ou de neige, le ski sur piste, le patinage artistique, la production de sons musicaux par frottement d'un archet contre les cordes tendues d'un violon, les têtes de lecture des disques magnétiques des ordinateurs, le vernis antirayures des verres de lunettes, la mise en forme des matériaux... et même la recherche sur les activités de l'homme, pendant la Préhistoire. Cette énumération n'est bien évidemment pas exhaustive.

Pour souligner l'importance de la tribologie, il faut noter que, dans les pays développés, les pertes par frottement et usure représentent entre 3,5 et 4 % du PIB et que dans une automobile moderne plus de 25 % de la puissance affichée du moteur est perdue en frottement. Enfin selon une étude récente du CETIM, 80 % des avaries des pièces mécaniques commencent en surface ; ainsi la surface est actuellement une réelle butée technologique.

Nomenclature

A

surface apparente de contact (m2)

Ar

surface réelle de contact (m2)

C

jeu radial (m)

E1 et E2

modules de Young des deux matériaux (Pa)

Eeq

module d'élasticité équivalent des matériaux (Pa)

F

force de frottement (N)

L

longueur du cylindre ou du contact (m)

Ln

charge linéique (N/m)

N

charge dynamique appliquée au contact (N)

Nc

charge critique d'endommagement (N)

Pmax

pression maximale (Pa)

Pm

pression moyenne de contact (Pa)

R

rayon de l'arbre, du cylindre ou du contact (m)

R1 et R2

rayon de courbure des surfaces 1 et 2 (m)

T

température (˚C)

Tc

température de contact (˚C)

Tf

température flash (˚C)

Tm

température moyenne (˚C)

U1 et U2

vitesses linéaires des surfaces 1 et 2 en contact (m/s)

V

vitesse de glissement (m/s)

a

rayon du contact de Hertz (m)

b

demi-largeur du contact de Hertz (m)

ci

capacité calorifique

hmin

épaisseur minimale du film (m)

α

coefficient de piezoviscosité (Pa-1)

β

effusivité thermique (S.I.)

δ

délais d'inflamabilité (t)

λ

conductivité thermique (w.m–1.K–1)

µ

viscosité du lubrifiant (Pa.s)

η

diffusitivité thermique (S.I.)

µ0

viscosité du lubrifiant à pression ambiante (Pa.s)

f

coefficient de frottement

fD

coefficient de frottement dynamique

fS

coefficient de frottement statique

ρ

masse volumique (kg/m3)

σe1 et σe2

limite élastique des matériaux 1 et 2 (Pa)

σe,inf = inf(σe1e2)

contrainte limite inférieure des deux limites élastiques des deux matériaux (Pa)

nombre de Taylor

τ

contrainte de cisaillement (Pa)

υ1 et υ2

coefficients de Poisson des deux matériaux

ω

vitesse angulaire de l'arbre en rotation (rd/s)

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-tri100


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   Lubrication (Tribology)  -  , Education and Research, A report on the present position and industry's needs. Rapport présenté le 23 novembre 1965, au Minister of State for Education and Science de la Grande Bretagne et publié en février 1966.

  • (2) - FRENE (J.) -   La tribologie de l'antiquité à nos jours.  -  Mécanique et Industrie Vol. 2, pp 263-282 (2001).

  • (3) - STRIBECK (R.) -   Die Wesentlichen Eigenschaften der Gleit-und Rollenlager.  -  Z. Verein. Deut. Ing. Vol. 46 no 38, pp. 1341-1348 (1902).

  • (4) - FRÊNE (J.), CICONE (T.) -   Friction in Lubricated contact  -  . Handbook of Material Behavior Models, Academic Press, chapter 8-4 pp. 760-767 (2001).

  • (5) - GEORGES (J.M.) -   Frottement, usure et lubrification – La tribologie ou science des surfaces  -  . Sciences et Technologie de l'Ingénieur, CNRS, Éditions Eyrolles (2000).

  • ...

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