Tribology

Tribologie

L’Étude des Interactions entre des Surfaces en Mouvement

Qu’est-ce que la Tribologie ?

La tribologie est la science de l’usure, des frottements et de la lubrification. Elle consiste à étudier les phénomènes susceptibles de se produire quand des surfaces entrent en mouvement relatif avec d’autres éléments tribologiques dans des systèmes naturels ou artificiels. Cela inclut la conception du palier et la lubrification. 

La tribologie n’est pas une science isolée, mais plutôt une tentative complexe et multidisciplinaire où les avancées résultent du travail collaboratif mené par des chercheurs en génie mécanique, en production, en science et ingénierie des matériaux, en chimie et génie chimique, en physique, en mathématiques, en génie biomédical, en informatique et bien d’autres disciplines encore.

Quels sont les principes fondamentaux de la tribologie ?

L’un des principaux piliers de la tribologie est le système analytique et le système de la pensée relative.

Les Systèmes Tribologiques 123

Les frottements et l’usure ne sont pas des propriétés de matériaux. Ils sont des réponses à un système tribologique spécifique, qui comprend généralement un palier, un arbre et un mélange de lubrifiants, soumis à l’influence de plusieurs facteurs. Le sous-système tribologique de la figure 1 donne un aperçu des facteurs communs qui ont un impact sur les valeurs de frottement et d’usure : 

 

Etude de GGB relative au fonctionnement des systèmes tribologiques
Etude GGB de la structure des matériaux du système tribologique
Etude des phénomènes de résistance qui s'appliquent aux paliers lisses autolubrifiants de GGB

 

Ce système tribologique comporte une résistance/des entrées opérationnelles, une structure, des sorties et des pertes fonctionnelles. La résistance collective comprend les paramètres techniques et physiques de charge, tels que les charges, la vitesse et la durée de glissement, ainsi que le mouvement et les conditions de températures, qui ont une incidence sur la structure du système. La structure du système est déterminée par les propriétés des principaux éléments qui la composent : la base, qui fait face à un corps antagoniste, l’environnement extérieur et le support intermédiaire. 

 

1 Horst Czichos, Karl-Heinz Habig: Tribologie Handbuch: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik, Vieweg+Teubner Verlag, 2010
2 Theo Mang, Kirsten Bobzin, Thorsten Bartels: Industrial Tribology: Tribosystems, Friction, Wear and Surface Engineering, Lubrication, Wiley-VCH, 2011
3 Theo Mang et al.: Encyclopedia of Lubricants and Lubrication, Springer Verlag, 2014

Quels sont les principaux défis auxquels un expert en tribologie est confronté ?

La plus grande difficulté réside dans le fait que les valeurs de frottement et d’usure ne peuvent pas être facilement transférées d’un système à un autre, comme par exemple d’un banc d’essais tribologiques à une application en conditions réelles. Les comparaisons entre les valeurs mesurées ne peuvent être effectuées que si elles se rapportent à un système tribologique similaire. Le comportement tribologique des matériaux ne peut être évalué que pour des applications particulières basées sur des essais de modélisation et de simulation qui reproduisent les conditions de fonctionnement et un environnement de test propres à l’application.

Frottement et Usure (1)(2)(3)

Qu’est-ce qu’un frottement ?

Le frottement est une force qui s’oppose au mouvement relatif qui se produit entre deux corps en contact. Le frottement peut être étudié au niveau macroscopique grâce aux lois du frottement formulées par les physiciens Guillaume Amontons et Charles-Augustin de Coulomb. Ces physiciens ont mis en évidence une relation linéaire entre la force de frottement résultante et la charge normale appliquée.

Dans la mesure où le mécanisme actuel de glissement par frottement se produit au niveau microscopique, cela signifie que les lois du frottement sur lesquelles repose la tribologie sont indissociables de l’étude de la topographie des surfaces. L’expert en tribologie distingue l’endroit où s’est réellement produit le point de contact et la zone nominale de contact (dimensions géométriques), ce qui tient compte des espaces vides et des parties non en contact du corps solide. Le mécanisme responsable du processus de transformation de l’énergie dans les zones proches de la surface sont les suivants :

1

Contraintes tribologiques qui génèrent l'énergie et les frottements sur les paliers lisses GGB

 

Qu’est-ce que l’usure ?

L’usure se définit comme une perte de matière irréversible qui se produit au moment où deux surfaces entrent en mouvement l’une par rapport à l’autre. Les mécanismes d’usure sont les processus élémentaires de physique et de chimie qui apparaissent au niveau de la surface de contact où s’opère le glissement entre deux corps, et qui altèrent la forme et la matière de ces deux corps.

 

Analyse tribologique des mécanismes d'usure subis par les paliers lisses de GGB

 

Les mécanismes de frottement et d‘usure sont fortement affectés par la structure du système tribologique, ainsi que par la résistance collective induite:

 

µ=f(structure-tribologique(t), résistance collective induite(t))

w=f(structure-tribologique(t), résistance collective induite(t))

 

Les mécanismes de frottement et d’usure n’apparaissent pas de manière isolée, mais plutôt grâce à la superposition de mécanismes qui s’avèrent être difficiles à quantifier et à contrôler. Cette superposition observée dans les systèmes tribologiques techniques se produit dans des proportions non détectables, qui varient selon le lieu et le moment, rendant ainsi presque impossible le calcul des processus de frottement et d’usure lors d’un tribocontact. C’est pourquoi les tests tribologiques sont d’une importance primordiale pour estimer le comportement tribologique des matériaux. Si nous voulons interpréter et comprendre les données tribologiques mesurées et les études axées sur le mécanisme, nous avons besoin d’une connaissance parfaite des mécanismes qui se produisent lors d’un tribocontact.

 

Les experts en tribologie classent les conditions de frottement, d’usure et de lubrification selon les modalités suivantes :

 

  • Régime de Frottement 0 : Frottement à sec : la friction se produit par contact direct entre deux surfaces solides, sans lubrifiant.
  • Régime de Frottement I : Lubrification limite : frottement à sec avec présence d’un film de molécules de lubrifiant qui recouvre les surfaces des corps qui entrent en contact. Ce film de lubrifiant, qui n’a pas de portance, a une influence sur les caractéristiques de frottement et d’usure.
  • Régime de Frottement II : Lubrification Mixte où les régimes I et III coexistent. La valeur de frottement est la combinaison de frottements opérés à sec et d’un régime de lubrification hydrodynamique. Un film fluide généré par le lubrifiant créé une portance.
  • Régime de Frottement III : Lubrification hydrodynamique : la valeur de frottement est déterminée par le cisaillement dans le fluide. La capacité de charge du fluide lubrifiant empêche tout contact direct entre les deux corps solides.
  • Régime d’Usure a : taux d’usure élevés qui résultent d’un fonctionnement à sec et du contact direct entre les surfaces.
  • Régime d’Usure b : faibles valeurs d’usure en raison de la présence d’un film fluide qui contient des molécules de lubrifiant.
  • Régime d’Usure c : Usure douce qui résulte de la séparation partielle des surfaces grâce à un film fluide plus épais.
  • Régime d’Usure d : « Zéro usure » grâce à un film fluide qui permet une lubrification hydrodynamique ou élasto-hydrodynamique et évite tout contact direct entre les deux surfaces.

 

Régimes de frottement  Système Tribologique

 

Mesurandes de l'usure  Régimes d'usure

 

 

Quels résultats escompter quand on applique les principes de la tribologie à la conception d’un palier ?

Comment est-ce que la tribologie conduit à une amélioration mesurable des performances d’un produit ?

Les tests tribologiques nous permettent d’obtenir des informations relatives aux performances tribologiques des matériaux et d’améliorer la conception de nos paliers. Nous pouvons alors cibler des matériaux précis pour obtenir des propriétés tribologiques spécifiques, qui sont bien meilleures.

Les résultats des tests tribologiques et les méthodes d’analyse de la surface nous aident à évaluer la performance tribologique, qui découle des frottements, de l’usure, des mécanismes de rupture, de la cinétique des films de transfert, des matériaux de paliers que nous utilisons et des prototypes que nous développons sur la base d’un grand nombre de facteurs et d’influences diverses. Cette connaissance nous aide à voir et à comprendre quelles sont les incidences de telles ou telles variables comme les effets produits par divers matériaux incluant des charges, la concentration de charges, les effets de synergie entre les différentes charges, la structure des matériaux ainsi que l’impact des autres éléments du système tribologique.

 

Comment la tribologie peut-elle améliorer l’efficacité et la durée de vie des paliers ?

L’optimisation tribologique des surfaces de contact passe par :

  • L’identification des principaux facteurs influant sur le système tribologique
  • L’identification des solutions qui améliorent l’efficacité et réduisent l’usure repose sur :
    • l'utilisation de matériaux optimisés pour résister à l’usure et aux frottements
    • un appariement optimisé des matériaux afin de réduire les forces de frottement et le niveau d’usure
    • la sélection et l’utilisation des lubrifiants les mieux adaptés
    • des modifications de conception qui auront un impact positif sur la performance globale du système tribologique

 

Dans l’industrie des paliers, quelles avancées technologiques ont déjà été réalisées grâce à la tribologie ?

Cet article publié dans le magazine Eureka fournit un bon aperçu chronologique des avancées technologiques qui ont bouleversé l’industrie du palier grâce à la recherche tribologique. L’article dévoile que les roulements étaient déjà utilisés dans l’Égypte ancienne et qu’en 40 avant J.-C. les romains employaient des roulements à billes. Puis, l’article se poursuit en mettant en lumière l’importance du rôle du traitement thermique de l’acier trempé et des céramiques à base d’oxyde. Enfin, l’article mentionne également que GGB a commercialisé le tout premier palier lisse autolubrifiant en métal-polymère.

 

Dans quels secteurs de l’industrie et pour quelles applications la tribologie s’est-elle révélée être utile ?

La tribologie joue un rôle majeur dans toute application où deux surfaces entrent en contact via un mouvement relatif. Certains secteurs nourrissent un niveau d’exigence très élevé vis-à-vis des systèmes tribologiques en raison de la criticité de leur mission ou de leur mode de fonctionnement, en continu ou dans des conditions extrêmes.

Quelles contraintes doivent être prises en compte par les ingénieurs quand ils conçoivent des produits ou effectuent des tests de frottements/d’usure ?

Cela dépend beaucoup de l’application. Certaines applications ne génèrent que peu de frottements (expl : les matériaux de paliers) tandis que d’autres produisent beaucoup de frottements (expl : les systèmes de freinage). Pour la plupart des applications, lutter contre l’usure des matériaux est primordial. Dans de nombreuses applications, l’objectif principal consiste à trouver le juste équilibre entre un faible niveau de frottements et une bonne résistance à l’usure.

En ce qui concerne la conception d’expériences destinées à décrire les frottements et l’usure, les tests tribologiques entrent dans l’une des six principales catégories, qui vont des essais sur le terrain (Catégorie I) à des modèles de tests plus simples, effectués en laboratoire (Catégorie VI).

Catégorie I:       Un essai en conditions réelles est effectué dans des conditions normales de fonctionnement, voire des conditions de fonctionnement prolongées. Il en résulte une piètre répétabilité, mais reste proche des exigences réelles auxquelles le système tribologique est confronté.

Catégorie II:       Les essais sont menés avec une pièce d’équipement complète dans l’environnement de l’usine. Ces essais procurent des résultats proches de ceux obtenus dans des conditions normales de fonctionnement et peuvent être conduits sur une période donnée afin de répliquer des conditions de fonctionnement prolongées, tout en limitant l’impact environnemental de ces essais.

Catégorie III:      Composants, sous-systèmes ou assemblages sont testés dans un laboratoire dont les conditions qui se rapprochent des conditions de fonctionnement normales ou prolongées et avec une répétabilité moyenne.

Catégorie IV:      Les essais en laboratoire sont réalisés en série avec des composants standard en utilisant des installations expérimentales miniatures.

Catégorie V:       Les essais sont menés sur la base d’échantillons avec des appareils de test dans des conditions proches des conditions normales de fonctionnement. Les résultats ainsi obtenus offrent une excellente répétabilité.

Catégorie VI:      Un banc d’essai est réalisé au moyen d’un équipement de test de laboratoire simple. 

 

Les différentes catégories de tests tribologiques nécessaires à la création d'un palier

 

Il est important de rappeler que dans les catégories allant de I à III, la structure du système de l’agrégat tribologique original demeure constante, et seule la résistance collective est simplifiée. Les catégories II et III offrent des résistances collectives plus facilement reproductibles que la catégorie I. En revanche, des catégories IV à VI, la structure du système est simplifiée, ce qui présente l’inconvénient de diminuer la prévisibilité de la transférabilité des résultats de tests par rapport à des systèmes tribologiques pratiques techniques comparables. Les catégories de IV à VI offrent une meilleure métrologie du sous tribo-contact et un coût moins élevé ; les essais peuvent également être réalisés en un laps de temps plus restreint.1 Plus on monte dans l’ordre de ces catégories de tests, plus le temps et les coûts liés à leur mise en œuvre, ainsi que la transférabilité des résultats de tests augmentent de façon significative.

 

Comment appliquer les catégories de tests au palier intégré dans le sous-système tribologique ?

Les tests tribologiques des matériaux utilisés pour fabriquer les paliers peuvent être divisés en quatre principales catégories :

  • Descriptions des performances des produits, ce qui inclut les catégories IV et III pour garantir la transférabilité des résultats.
  • Suivi de la production et de la fabrication, ce qui inclut les catégories allant de VI à IV, la catégorie III constituant aussi une possibilité.
  • Les tests des paliers effectués par la clientèle peuvent être intégrés dans les catégories III, IV et V. Il faut cependant garder à l’esprit que la catégorie V n’est pertinente que si les essais peuvent être réalisés dans des conditions qui soient les plus proches possibles de l’application.
  • Toutes les catégories peuvent être utilisées pour aider les concepteurs de matériaux. Les toutes premières catégories sont généralement utilisées au premier stade des étapes de développement nécessaires à la présélection, tandis que les catégories suivantes ne sont utiles qu’à partir du moment où les sous-composants et le produit final sont disponibles.

 

 

1 Horst Czichos, Karl-Heinz Habig: Tribologie Handbuch: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik, Vieweg+Teubner Verlag, 2010

Comment Est-ce que GGB met à profit son expertise tribologique pour développer des paliers ?

GGB conçoit des paliers aux performances tribologiques optimisées en s’appuyant sur les résultats obtenus suite aux tests effectués. Nous combinons notre connaissance de la science et des performances des matériaux avec une compréhension approfondie des performances tribologiques de nos produits et de la façon dont ils doivent satisfaire aux exigences des applications de nos clients.

Quelles sont les principales innovations réalisées par GGB grâce à son expertise tribologique ?

En 2015, lancement de la bague autolubrifiante à enroulement filamentaire usinable HPMB® et de la bague bimétallique sans-plomb GGB-SZ

  • Mise sur le marché d’une gamme de paliers autolubrifiants en bronze et en acier fritté en 2014, dont les paliers GGB-BP25, GGB-FP20 et GGB-SO16
  • GGB joue un rôle dans l’alunissage en 2012 du rover Curiosity de la NASA. Les paliers autolubrifiants DU® en métal-polymère servent de composants de suspension primaire à la broche de perçage du robot martien.
  • En 2010, lancement de paliers en métal-polymère sans plomb, comme les paliers lisses DP10 et DP11, pour obtenir de meilleures performances en conditions de lubrification marginale ou en fonctionnement à sec
  • En 2009, lancement sur les marches européens et asiatiques d’une gamme de bagues à enroulement filamentaire dotées d’une structure solide, stable et résistante à l’usure et aux fortes charges.
  • Les nouveaux paliers autolubrifiants et usinables DX®10 remportent en 2008 le North American Frost & Sullivan Award for Product Innovation of the Year (Prix pour l’innovation Amérique du Nord décerné par Frost & Sullivan) dans la catégorie paliers pour poids lourds des segments de classe 7-8. Cette distinction est décernée pour récompenser l’excellence de nouveaux produits et de nouvelles technologies dans l’industrie.
  • En 2003, lancement des paliers lisses DP31 en métal-polymère sans plomb avec de meilleures performances dans des conditions d’utilisations lubrifiées, une meilleure résistance à l’usure, à la fatigue ainsi qu’un faible coefficient de frottement.
  • Lancement de la gamme de coussinets autolubrifiants EP® en polymères thermoplastiques moulés par injection.
  • En 1995, lancement des paliers en métal-polymère sans plomb sur support en acier DP4® pour répondre aux besoins des amortisseurs de voiture et d’un certain nombre d’autres applications hydrauliques.
  • En 1986, lancement des paliers HI-EX®, idéals pour les applications avec températures élevées.
  • Lancement de la toute première gamme de paliers à enroulement filamentaire aux États-Unis, dont la bague GAR-MAX®, qui supporte des charges élevées en statique et dynamique.
  • En 1995, lancement du palier lisse DX® en métal-polymère pour les applications lubrifiées à la graisse ou à l’huile.
  • En 1956, GGB invente la bague autolubrifiante DU®, le premier matériau de palier en métal-polymère sur support en acier avec une couche de glissement en bronze et PTFE, offrant un faible coefficient de frottement et une excellente résistance à l’usure. Dans le courant de la même année, GGB introduit sur le marché le palier lisse DU-B sur support en bronze pour une meilleure résistance à la corrosion.
  • En 1887, Olin J. Garlock brevète son premier système industriel d’étanchéité utilisé pour les tiges de piston dans les moteurs des engins à vapeur.

Comment la tribologie permet-elle de réduire ou d’éliminer l’usage de lubrifiants liquides ?

Les lubrifiants font partie intégrante de cette science, mais dans certains cas la lubrification peut être intégrée dans les matériaux des composants du système tribologique.

C’est pourquoi les concepteurs de paliers ont élaboré des matériaux capables de fonctionner à sec et offrant de meilleures performances tribologiques en matière de frottements et d’usure, ce qui réduit ou élimine la nécessité d’avoir recours à des lubrifiants liquides.

Comment l’arbre et la couche de transfert peuvent-ils avoir un impact sur la performance tribologique ?

Parce-que l’arbre est un élément essentiel de la structure du système tribologique du sous-système dans lequel est monté le palier. Ces propriétés ont un impact direct sur les frottements et l’usure ainsi que sur tout un ensemble d’événements qui se produisent lorsque l’arbre et le palier entrent en contact. Les principales caractéristiques de l’arbre sont les suivantes :

  • Les matériaux et leurs propriétés chimiques et physiques
  • Les caractéristiques géométriques, comme la topographie et le pourcentage de portée 

Quels facteurs tribologiques doivent être pris en compte quand on sélectionne un palier ? Comment ces facteurs influencent-ils notre choix?

Le champ d’application du système tribologique revêt une importance extrême dans le choix d’un palier. Les éléments listés ci-dessous doivent être considérés avec la plus grande attention :

1. La pression collective induite générée par : 

  • La nature de la charge
  • La nature du mouvement
  • Les températures
  • Le facteur temps

2.  Le matériau de l’autre surface en contact avec l’arbre:

  • Les matériaux, ainsi que leurs propriétés chimiques et physiques
  • Les caractéristiques géométriques, comme la topographie et le pourcentage de portée (rugosité, isotropie et anisotropie)

3.  L’interface et le profil de ses propriétés

4.  Le milieu ambiant et ses propriétés

5.  La conductivité thermale du système tribologique

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