Contacts lubrifiés et contacts dits secs
Introduction à la tribologie

TRI100 v1 Article de référence

Contacts lubrifiés et contacts dits secs
Introduction à la tribologie

Auteur(s) : Jean FRÊNE, Hamid ZAÏDI

Relu et validé le 05 janv. 2018 | Read in English

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Sommaire
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Présentation

1 - Contacts lubrifiés et contacts dits secs

1.1 - Contacts lubrifiés
1.2 - Contacts en frottement sec

2 - Les différents régimes de lubrification dans les contacts lubrifiés

2.1 - Lubrification limite et extrême pression
2.2 - Lubrification mixte
2.3 - Lubrifications hydrodynamique et élastohydrodynamique
2.4 - Lubrification hydrodynamique non laminaire
2.5 - Lubrification hydrostatique

3 - Contacts en frottement sec

3.1 - Tenue mécanique du contact :
3.2 - Effets thermiques dans le contact
3.3 - Comportement du film intercalaire
3.4 - Tenue mécanique des revêtements de surfaces
3.5 - Frottement et usure dans le contact

Tableau 1

4 - Conclusion

Bibliographie & annexes

Présentation

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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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 xv ^e, xvi ^e et xviii ^e 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

surface apparente de contact (m²)

A_r

surface réelle de contact (m²)

jeu radial (m)

E₁ et E₂

modules de Young des deux matériaux (Pa)

E _eq

module d'élasticité équivalent des matériaux (Pa)

force de frottement (N)

longueur du cylindre ou du contact (m)

L_n

charge linéique (N/m)

charge dynamique appliquée au contact (N)

N_c

charge critique d'endommagement (N)

P _max

pression maximale (Pa)

P_m

pression moyenne de contact (Pa)

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

R₁ et R₂

rayon de courbure des surfaces 1 et 2 (m)

température (˚C)

T_c

température de contact (˚C)

T_f

température flash (˚C)

T_m

température moyenne (˚C)

U₁ et U₂

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

vitesse de glissement (m/s)

rayon du contact de Hertz (m)

demi-largeur du contact de Hertz (m)

c_i

capacité calorifique

h _min

épaisseur minimale du film (m)

coefficient de piezoviscosité (Pa^-1)

effusivité thermique (S.I.)

délais d'inflamabilité (t)

conductivité thermique (w.m^–1.K^–1)

viscosité du lubrifiant (Pa.s)

diffusitivité thermique (S.I.)

µ₀

viscosité du lubrifiant à pression ambiante (Pa.s)

coefficient de frottement

f_D

coefficient de frottement dynamique

f_S

coefficient de frottement statique

masse volumique (kg/m³)

σ_e1 et σ_e2

limite élastique des matériaux 1 et 2 (Pa)

σ _e,inf = inf(σ_e1,σ_e2 )

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

T

nombre de Taylor

contrainte de cisaillement (Pa)

υ₁ et υ₂

coefficients de Poisson des deux matériaux

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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Les différents régimes de lubrification dans les contacts lubrifiés

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1. Contacts lubrifiés et contacts dits secs

Classiquement mais de façon un peu arbitraire, 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 parfois même des débris d'usure.

1.1 Contacts lubrifiés

Généralement les contacts lubrifiés par des fluides sont subdivisés en contacts surfaciques pour lesquels la pression dans le film est relativement faible et les contacts hertziens dans lesquels la pression est suffisamment élevée pour déformer élastiquement les surfaces.

Les paliers et les butées hydrostatiques et hydrodynamiques et les garnitures mécaniques appelées aussi joints d'étanchéité à face radiale relèvent typiquement des contacts surfaciques. Dans ces contacts, la pression dans le film fluide est relativement faible, sa valeur est de l'ordre de 1 à 20 mégapascals (200 bar) mais la charge (force normale) supportée par le contact peut être très élevée ainsi les butées hydrodynamiques des grandes centrales hydroélectriques peuvent supporter plus de 10 méganewtons (10⁷ N).

Les contacts hertziens concernent les roulements à billes et à rouleaux, les engrenages, les systèmes came-poussoir… Dans ce type de contact, la charge n'est pas nécessairement très élevée, mais compte tenu des faibles dimensions de la surface de contact, la pression dans le film peut atteindre et même dépasser 3 gigapascals (30 000 bar). Ainsi les surfaces de contact sont largement déformées et le comportement du lubrifiant (huile ou graisse) n'est plus newtonien.

La distinction entre contacts surfaciques et contacts hertziens n'est que formelle. Ainsi les déformations élastiques dans les paliers de bielles de moteurs thermiques doivent impérativement être prises en compte pour prévoir le comportement de ces paliers. De même l'étanchéité des joints à lèvres en élastomère dépend de la déformation élastique des surfaces qui est du même ordre de grandeur que l'épaisseur du film.

La 1 présente un réducteur à engrenage dans lequel ces différents types de contact sont présents. Les paliers cylindriques et les butées hydrodynamiques relèvent des contacts surfaciques et les engrenages sont représentatifs des contacts hertziens.

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