Les fondements de la tribologie, partie 1 : Les bases des systèmes tribaux
Figure 1 : Lubrification des roulements
La tribologie est l'étude de l'usure, du frottement et de la lubrification, et elle englobe le comportement des surfaces et autres tribo-éléments dans les systèmes naturels et artificiels soumis à un mouvement relatif.
La tribologie est une activité complexe et multidisciplinaire qui rassemble des chercheurs de différentes disciplines. Il s'agit notamment du génie mécanique, de la fabrication, de la science et de l'ingénierie des matériaux, de la chimie, du génie chimique, de la physique, des mathématiques, de la science et de l'ingénierie biomédicales, de l'informatique et de bien d'autres domaines. La biotribologie, la nanotribologie, la tribologie spatiale et la tribotronique sont toutes des sous-domaines de la tribologie.
Dans cette série en trois parties, nous examinerons les trois principaux aspects de la tribologie et l'application de la tribologie à la mécanique :
- Première partie : Les bases des tribosystèmes
- Partie 2 : Un regard approfondi sur la lubrification
- Troisième partie : Normes, essais et classification en tribologie
Remarque : Actuellement, nous ne vendons pas de lubrifiants.
Table des matières
- Une brève histoire de la tribologie
- Importance de la tribologie
- Qu'est-ce qu'un tribosystème ?
- Usure et frottement
- Applications modernes de la tribologie
Une brève histoire de la tribologie
Le mot "tribologie" vient du grec tribos, qui signifie frotter, et se traduit donc littéralement par "la science du frottement". Dans le rapport Jost du 9 mars 1966, l'ingénieur mécanicien britannique Peter H. Jost a présenté le concept. Jost est considéré comme le fondateur de la tribologie et son rapport lui accorde une plus grande importance. Des instituts de tribologie devaient être créés, ainsi qu'un manuel sur la tribo-conception et l'ingénierie.
Le 26 septembre 1966, peu après la publication du rapport Jost, le comité de tribologie a été officiellement créé et chargé de plusieurs tâches, notamment :
- Avis sur les mesures visant à améliorer le progrès technologique et l'efficacité économique dans le domaine de la tribologie au ministre de la technologie
- Conseiller en tribologie auprès de ministères et d'autres organismes
- Examiner les techniques les plus récentes en tribologie et les recommander à l'industrie
- Informer annuellement le ministre de la technologie de ses propres activités ainsi que des tendances et des développements dans le domaine de la tribologie.
Importance de la tribologie
Au début, la recherche en tribologie était axée sur la conception et la lubrification efficace des composants de machines tels que les roulements. Au fil du temps, la tribologie s'est recentrée sur plusieurs aspects de la technologie moderne.
Les applications traditionnelles, qui relèvent de la tribologie classique, soulignent l'importance de la tribologie en ce qui concerne les surfaces de glissement de la plupart des composants mécaniques, qui sont essentielles à l'efficacité énergétique et à la durée de vie maximale de ces composants. Dans l'industrie des transports, la recherche traditionnelle en tribologie était axée sur la fiabilité, mais à une époque plus moderne, l'accent a été mis sur la consommation d'énergie et l'amélioration de l'efficacité, ce qui a donné lieu à la mise au point de lubrifiants plus complexes. Par exemple, la tribologie peut réduire les émissions de dioxyde de carbone en augmentant l'efficacité énergétique.
Outre l'industrie des transports, la tribologie a joué un rôle essentiel dans le secteur manufacturier, en particulier dans les opérations de formage des métaux. Il est important de comprendre la tribologie dans la fabrication, car elle permet d'augmenter la productivité tout en réduisant les coûts.
Qu'est-ce qu'un tribosystème ?
La tribologie est l'étude des tribosystèmes, c'est-à-dire des systèmes physiques de surfaces en contact. Le tribosystème est influencé par une grande variété de facteurs qui doivent être pris en considération avant de sélectionner les matériaux et un lubrifiant efficace. Les paramètres comprennent le type de mouvement, la vitesse, la température, la charge et l'environnement opérationnel. D'une manière générale, on peut distinguer les intrants opérationnels, la structure du système, les résultats fonctionnels et les résultats en termes de pertes. Voici quelques exemples :
Entrées opérationnelles
- Type de motion : Quel type de mouvement subit le sujet ? Il peut s'agir d'un glissement, d'un roulement, d'un impact, d'un roulement avec glissement, etc.
- Valeur de la charge : Quelle est la charge et comment cette charge est-elle appliquée en termes d'amplitude, de fréquence et de durée ?
- Vitesse : Quel est le facteur de vitesse en cause ?
- Température : La température implique différents facteurs tels que la température ambiante, la température induite par le frottement, le chauffage et/ou le refroidissement externe, les gradients de température et la température d'éclair.
Structure du système
La structure du système est déterminée par les profils des éléments substantiels, qui comprennent :
- Le corps au sol et le contre-corps : Il peut s'agir de deux surfaces qui glissent l'une sur l'autre. Par exemple, deux surfaces métalliques qui glissent l'une sur l'autre.
- Le milieu ambiant : Un milieu environnemental tel que l'air.
- Le milieu interfacial : Par exemple, un lubrifiant présent entre les deux surfaces, comme dans les roulements.
Ceux-ci sont influencés par les facteurs suivants :
| Corps à terre et contre-corps | |
| Propriétés des matériaux | Propriétés géométriques |
|
|
Figure 2 : La tribologie couvre de nombreux facteurs différents de la mécanique. Du frottement dans les roulements de cet essieu de camion au frottement entre les roues et le revêtement de la route.
| Milieu interfacial | |
| État global des liquides et des gaz | État des agrégats de solides |
|
|
| Milieu ambiant |
|
Résultats fonctionnels
En tribologie, les résultats fonctionnels sont le fruit de la transformation ou du transfert des intrants opérationnels à travers la structure du système. En résumé :
Intrant opérationnel > Structure du système > Résultats fonctionnels
Les exemples de résultats fonctionnels sont : la puissance, le mouvement, l'information, la matière et le matériau.
Pertes de production
En raison de la nature du frottement et de l'usure, le dernier facteur est la perte de rendement. Cela comprend la dissipation et la perte d'énergie, ainsi que la création de débris. La minimisation du montant des pertes se traduit directement par une minimisation et un contrôle plus efficaces des pertes financières. En mécanique, cela peut se faire, par exemple, par le biais de la lubrification.
Après l'identification du système et de ses paramètres, nous appliquons différentes chimies de lubrifiants afin de déterminer le lubrifiant optimal pour l'application. Dans la deuxième partie, nous aborderons la question de la lubrification. Consultez également notre article sur la lubrification des roulements ou notre aperçu de la lubrification.
Usure et frottement
Qu'est-ce que le frottement en tribologie ?
Le terme "frottement" désigne la résistance créée par deux corps lorsqu'ils sont en contact. Les lois de base du frottement décrivent le frottement à un niveau macroscopique. Ils affirment que les forces de frottement sont linéairement liées aux charges. Il est possible de calculer un paramètre principal sans dimension, appelé coefficient de frottement, souvent symbolisé par la lettre grecque µ.
Le coefficient de frottement décrit la relation entre la force de frottement entre deux corps et la force qui les pousse l'un contre l'autre pendant ou au début du processus de glissement. Le coefficient de frottement dépend des matériaux utilisés. Le caoutchouc sur la chaussée a un coefficient de frottement élevé, tandis que la glace sur l'acier a un faible coefficient de frottement.
L'importance du frottement peut être calculée à l'aide de la formule suivante Coefficient de frottement, où :
- μ = coefficient de frottement statique (μs) ou cinétique (μk)
- Fn = Force normale appliquée
- Fr = Force de frottement
Figure 3 : Il s'agit d'un système tribologique, où Fn est la force appliquée aux surfaces de glissement, Fr est la force de frottement (mouvement), et la ligne rouge indique l'ajout de lubrifiant qui réduit le coefficient de frottement cinétique.
Qu'est-ce que l'usure en tribologie ?
L'usure se produit lorsque les surfaces interagissent de manière irréversible et qu'il y a perte de matière. Dans une paire de surfaces glissantes, des processus physiques et chimiques élémentaires se produisent. Les mécanismes d'usure entraînent des changements de matériau et de forme des partenaires de frottement. Il s'agit notamment de
- Fatigue de surface : Cela peut provoquer des ruptures de tension dans le matériau de surface
- Abrasion : provoque des rainures dans le matériau de surface
- Adhésion : Transfert de matériel
- Réactions tribochimiques : Formation de particules et de résidus
Applications modernes de la tribologie
D'abord axée sur l'amélioration du fonctionnement et l'allongement de la durée de vie des machines industrielles, la tribologie a évolué vers un large éventail d'applications qui ont eu un impact sur de nombreux domaines :
- La tribologie classique concerne le frottement et l'usure des éléments de machines, tels que les freins, les roulements, les embrayages, les paliers lisses, les roues, les engrenages, etc.
- Ces dernières années, la nanotribologie a connu un essor considérable. Il s'agit plus particulièrement des phénomènes tribologiques à l'échelle nanoscopique.
- La tribologie spatiale se concentre sur les systèmes tribologiques qui fonctionnent dans des conditions environnementales difficiles, en particulier celles qui résultent des fluctuations extrêmes de température dans l'espace extra-atmosphérique.
- La tribologie verte explore les moyens de minimiser l'impact sur l'environnement et de réduire la perte d'efficacité tribologique en utilisant des technologies ayant un impact minimal sur l'environnement.
- La biotribologie étudie la lubrification dans les systèmes biologiques, tels que les hanches et les genoux humains.
- La tribotronique est une forme de robotique qui combine des éléments de machine et des composants électroniques pour créer des systèmes tribologiques actifs.
- La tribologie computationnelle modélise le comportement des systèmes tribologiques en combinant plusieurs disciplines telles que la mécanique des contacts, la mécanique des fractures et la dynamique des fluides computationnelle.
- La géotribologie étudie le frottement, l'usure et la lubrification des systèmes géologiques, tels que les failles et les glaciers.
Dans cette série en trois parties, nous examinerons les trois principaux aspects de la tribologie et l'application de la tribologie en mécanique. Poursuivez votre lecture pour un examen approfondi de la lubrification.