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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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(σe1,σe2)
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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Contacts en frottement sec2. Les différents régimes de lubrification dans les contacts lubrifiés
Dans le cas des paliers lubrifiés, la courbe de variation du frottement avec la vitesse a de façon générale la forme donnée en 2. Cette courbe est plus complète que celle obtenue expérimentalement par Stribeck en 1902 [3] car depuis cette date ont été rajoutés le cas hydrostatique et la partie IV à grande vitesse qui ne sont connus que depuis les années 1950. De même la nature des lubrifiants n'est pas spécifiée et les échelles ne sont pas portées sur les axes car ces valeurs dépendent de la forme du contact et des lubrifiants. Cette courbe est représentative de tous les contacts lubrifiés et peut aussi être obtenue pour les contacts hertziens tels que les roulements à billes et à rouleaux et les engrenages ; cependant pour ces mécanismes, la partie hydrostatique et la zone IV n'existent pas.
À partir de cette courbe, il est possible d'identifier les différents régimes de lubrification qui peuvent exister [4] :
-
la zone I qui correspond à la lubrification limite et/ou extrême pression ;
-
la zone II qui représente la lubrification mixte ;
-
la zone III qui est caractéristique de la lubrification hydrodynamique et élastohydrodynamique ;
-
la zone IV qui correspond pour les contacts surfaciques uniquement à la lubrification en régime non laminaire.
2.1 Lubrification limite et extrême pression
La lubrification limite [5] correspond au cas où le frottement entre les deux surfaces du contact n'est pas déterminé par la viscosité du lubrifiant mais dépend des propriétés physico-chimiques des surfaces et du lubrifiant. Un film lubrifiant de quelques dizaines de nanomètres (10-8 m) se crée sur les surfaces métalliques. Les molécules d'huile s'accrochent aux surfaces (3) en formant des monocouches épilâmes de substances polaires (acides gras ou savons) qui adhèrent aux surfaces par adsorption ou par chimisorption, soit des colloïdes compacts (carbonate de calcium amorphe par exemple) qui forment un film séparant les surfaces [5][6]. Le frottement est relativement important ; ainsi le coefficient de frottement est compris entre 0,05 et 0,15 selon la nature du lubrifiant et des matériaux formant le contact. Ce type de lubrification se rencontre quand les pressions dans le contact sont relativement faibles dans des mécanismes tels que les gonds des portes,...
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Les différents régimes de lubrification dans les contacts lubrifiés
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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