Aller au contenu principal
Image
Image

La tribologie

L’étude des interactions de surfaces en mouvement

La tribologie est la science de l'usure, des frottements et de la lubrification. Elle étudie les phénomènes qui se produisent lorsque des surfaces entrent en mouvement relatif avec d’autres éléments tribologiques dans des systèmes naturels ou artificiels. Cela inclut la conception et la lubrification des paliers.

La tribologie

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

  • Quels sont les principes fondamentaux de la tribologie ?

    Un des principes fondamentaux de la tribologie est la pensée analytique et systémique. 

    Les systèmes tribologique 123

    Les frottements et l’usure ne sont pas des propriétés de matériaux. Ce 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 :

    Chart 1_FR

    Structure

    Résistance

    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 facilement être 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 spécifiques 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 2 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 la zone où s’est réellement produit le point de contact et la zone nominale de contact (dimensions géométriques), qui tient compte des espaces vides et des parties sans contact du corps solide. Les mécanismes responsables du processus de transformation de l’énergie dans les zones proches de la surface sont les suivants :

    1

    Initiation

    Qu'est-ce que l'usure ?

    L’usure se définit comme la perte de matière irréversible qui se produit au moment où 2 surfaces entrent en mouvement l’une par rapport à l’autre. Les mécanismes d’usure sont les processus physiques et chimiques élémentaires qui apparaissent dans la zone de contact où s’opère le glissement entre 2 corps et qui altèrent la forme et la matière de ces 2 corps. Les mécanismes d'usure comportent les éléments suivants :

    Mécanismes

    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 2 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 2 surfaces.

    Régimes deSystème TribologiqueMesurandes de l'usure

    Catégories

  • Quels résultats escompter en appliquant la tribologie à la conception d'un palier ?

    Comment la tribologie conduit à une amélioration mesurable des performances d'un palier lisse ?

    Les tests tribologiques permettent d’obtenir des informations sur les performances tribologiques des matériaux et d'améliorer la conception de nos paliers. Nous pouvons alors cibler des compositions de matériaux afin d'obtenir des propriétés tribologiques spécifiques et améliorées.

    Les résultats des tests tribologiques et les méthodes d’analyse des 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 de facteurs et d'  influences diverses. Ces informations nous permettent d'observer et comprendre des 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 d'autres éléments du système tribologique.

     

    Comment la tribologie améliore 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 dont :
      • L'utilisation de matériaux optimisés pour résister à l’usure et aux frottements
      • Des appariements de matériaux optimisés  afin de réduire les frottements et le niveau d’usure
      • La sélection et l’utilisation des lubrifiants les mieux adaptés
      • Des modifications de conception ayant un impact positif sur la performance globale du système tribologique.

     

    Quelles sont les avancées technologiques générées dans l'industrie des paliers grâce à la recherche tribologique ?

    Cet article publié en 2016 dans le magazine anglais Eureka propose un aperçu chronologique des avancées technologiques qui ont bouleversé l’industrie des paliers grâce à la recherche tribologique. L’article dévoile que les roulements étaient déjà utilisés dans l’Égypte Ancienne et qu’en 40 avant JC les Romains utilisaient des roulements à billes. 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. L’article mentionne enfin 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 se révèle-t-elle utile ?

    La tribologie joue un rôle majeur dans toutes les applications où 2 surfaces entrent en contact par le biais d'un mouvement relatif. Certains secteurs imposent 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.

  • Quels éléments doivent être pris en considération par les ingénieurs pendant la conception des produits ou la réalisation de tests de frottement/d'usure ?

    Cela dépend considérablement de l’application. Certaines applications ne génèrent que peu de frottements (ex. : les matériaux de paliers) tandis que d’autres produisent beaucoup de frottements (ex. : les systèmes de freinage). Pour la plupart des applications, réduire l’usure des matériaux est primordial. Dans de nombreuses applications, l’objectif premier consiste à trouver le juste équilibre entre un faible niveau de frottement 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 6 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 de fonctionnement normales, voire des conditions de fonctionnement prolongées. Il en résulte une piètre répétabilité, mais reste proche des exigences réelles auxquelles le système tribologique sera confronté

    Catégorie II : ces essais génèrent 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 sont proches 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 équipements de contrôle de taille réduite.

    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. 

    Catégories

    Il est important de rappeler que dans les catégories I à III, la structure du système de l’agrégat tribologique original reste 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, dans les 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 techniques pratiques comparables. Les catégories IV à VI offrent une meilleure métrologie du sous tribo-contact ainsi que des coûts et un calendrier d'essais réduits.1 Ainsi, en montant dans la catégories de tests, la durée et le coût des tests augmentent de manière significative, mais la transférabilité des résultats des tests augmente également.

     

    Comment appliquer les catégories de test au palier du sous-système tribologique ?

    Les tests tribologiques des matériaux utilisés pour la fabrication des paliers sont divisés en 4 grandes 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 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, en gardant 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 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 GGB met à profit son expertise tribologique pour développer des paliers ?

    GGB développe 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 manière dont ils doivent satisfaire aux exigences des applications de nos clients. 

  • Quelles sont les innovations de GGB en termes de solutions de paliers lisses réalisées grâce à son expertise tribologique ?
    • En 2019, GGB lance 3 nouveaux produits : le palier lisse EP®15 en polymères thermoplastiques, résistant aux rayons UV  pour applications extérieures et la production d'énergie solaire, le palier en alliage de poudre métallique PyroSlide™ 1100, conçu pour résister à des températures allant jusqu'à 800°C/1472°F et le palier lisse en acier et bronze sans plomb AuGlide®, conçu pour des applications sous fortes charges. GGB a également lancé sa nouvelle gamme de produits de revêtements polymères, applicables sur pratiquement toutes les surfaces et qui offrent une conception simplifiée, une autolubrification et une protection contre la corrosion et les produits chimiques.
    • En 2018, GGB lance les paliers tribologiques autolubrifiants en polymères thermoplastiques EP®30 destinés aux applications hydrodynamiques.
    • En 2015, lancement de la bague autolubrifiante à enroulement filamentaire usinable HPMB® et de la bague bimétallique sans-plomb GGB-SZ.
    • En 2014, commercialisation d’une gamme de paliers autolubrifiants en bronze et en acier fritté, dont les paliers GGB-BP25, GGB-FP20 et GGB-SO16.
    • En 2012, Les paliers GGB se posent sur Mars à bord de Curiosity, le robot de la NASA. Les paliers lisses autolubrifiants DU® en métal-polymère font partie des composants de suspension de la broche de forage de Curiosity.
    • En 2010, lancement des paliers lisses DP10 et DP11 en métal-polymère sans plomb, pour des performances améliorées dans des conditions de lubrification marginale ou en fonctionnement à sec.
    • En 2009, commercialisation sur les marchés européens et asiatiques d’une gamme de bagues composites à enroulement filamentaire dotées d’une structure solide, stable et résistante à l’usure et aux fortes charges.
    • En 2008, les nouveaux paliers autolubrifiants DX®10 remportent le prix américain Frost & Sullivan de l'Innovation Produit de l'Année dans la catégorie paliers pour poids-lourds de classe 7-8. Cette distinction récompense l'excellence de nouveaux produits et de nouvelles technologies ans l'industrie.
    • En 2003, lancement des paliers lisses DP31 en métal-polymères sans plomb avec des performances améliorées dans des conditions d’utilisations lubrifiées, une meilleure résistance à l’usure et à la fatigue ainsi qu’un faible coefficient de frottement.
    • En 1996, lancement de la nouvelle gamme de paliers en polymères thermoplastiques EP® moulés par injection.
    • En 1995, introduction des paliers en métal-polymère sans plomb sur support en acier DP4® sur le marché des amortisseurs de voitures et autres applications hydrauliques.
    • En 1986, lancement du palier métal-polymère HI-EX®, idéal dans des conditions de lubrification marginale et à haute température.
    • En 1978, lancement aux Etats-Unis de la de la gamme de paliers composites à enroulement filamentaire, dont le GAR-MAX®, qui supporte des charges statique et dynamique élevées.
    • En 1965, lancement du palier lisse DX® en métal-polymères pour les applications lubrifiées à la graisse ou à l’huile.
    • En 1956, lancement du palier lisse DU®, premier palier en métal-polymères sur support acier avec une couche de glissement en bronze et PTFE, offrant un faible coefficient de frottement et une excellente résistance à l’usure. Lancement la même année du palier lisse DU-B sur support bronze pour une meilleure résistance à la corrosion.
    • En 1887, Olin J. Garlock brevète son premier système d’étanchéité industrielle, utilisé pour les tiges de piston dans les moteurs industriels à vapeur.
  • Comment la tribologie permet-elle de réduire ou supprimer l'usage de lubrifiants liquides ?

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

    C’est pourquoi les concepteurs de paliers élaborent des matériaux spécifiques capables de fonctionner à sec et offrant des performances tribologiques supérieures en matière de frottement et d’usure, ce qui réduit ou supprime 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. Ses propriétés ont un impact direct sur les frottements et l’usure ainsi que sur tout un ensemble de phénomènes 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 taux de portée. 
  • Quels facteurs tribologiques doivent être pris en considération dans la sélection d'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 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 thermique du système tribologique

Nous Contacter

Nos experts vous aideront à trouver la solution qui répond le mieux à votre application spécifique.