Tribologie Partie 1 : Les bases des tribosystèmes

Les principes fondamentaux de la tribologie, partie 1 : Les bases des tribosystèmes

palier à lubrification par huile

Figure 1 : lubrifiant pour 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 entreprise complexe et multidisciplinaire qui rassemble des chercheurs de différentes disciplines. Cela inclut l'ingénierie mécanique, la fabrication, la science et l'ingénierie des matériaux, la chimie, l'ingénierie chimique, la physique, les mathématiques, la science et l'ingénierie biomédicales, l'informatique et de nombreux autres domaines. La biotribologie, la nanotribologie, la tribologie spatiale et la tribotronique sont toutes des sous-domaines de la tribologie.

Dans cette série de trois articles, nous examinerons trois parties principales de la tribologie et l'application de la tribologie en mécanique :

Table des matières

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Une brève histoire de la tribologie

Le mot "tribologie" vient du mot 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 présente le concept. Jost est considéré comme le fondateur du domaine de la tribologie et son rapport y accorde une plus grande importance. Des instituts de tribologie devaient être créés, ainsi qu'un manuel sur la conception et l'ingénierie tribologiques.

Le 26 septembre 1966, peu de temps après la publication du rapport Jost, le Comité de tribologie a été officiellement créé et chargé de plusieurs tâches, notamment :

  • Avis au ministre de la technologie sur les mesures visant à améliorer le progrès technologique et l'efficacité économique dans le domaine de la tribologie
  • Servir de conseiller en tribologie auprès de ministères et d'autres organismes
  • Examiner les dernières techniques 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 en 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, le champ d'action de la tribologie a évolué pour inclure 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 le secteur des transports, la recherche traditionnelle en tribologie était axée sur la fiabilité, mais à l'époque moderne, l'accent a été mis sur la consommation d'énergie et l'efficacité accrue, ce qui a donné lieu à des 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, notamment dans les opérations de formage des métaux. Il est important de comprendre la tribologie dans le domaine de la fabrication, car elle permet d'accroître la productivité tout en réduisant les coûts.

Que sont les tribosystèmes ?

La tribologie est l'étude des tribosystèmes - systèmes physiques de surfaces en contact. Le tribosystème est influencé par une grande variété de facteurs qui doivent être pris en considération avant de choisir les matériaux et un lubrifiant efficace. Les paramètres comprennent le type de mouvement, la vitesse, la température, la charge et l'environnement de fonctionnement. De manière générale, on peut distinguer les entrées opérationnelles, la structure du système, les sorties fonctionnelles et les sorties de pertes. En voici quelques exemples :

Entrées opérationnelles

  • Type de motion : Quel type de mouvement subit le sujet ? Il peut s'agir de glissement, de roulement, d'impact, de 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 ?
  • Vélocité : Quel facteur de vitesse est impliqué ?
  • Température : La température fait intervenir différents facteurs tels que la température ambiante, la température induite par la friction, 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 incluent :

  • Le corps au sol et le corps au comptoir : 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 qui est présent entre les deux surfaces, comme dans les roulements.

Ceux-ci sont affectés par les facteurs suivants :

Corps et contre-corps au sol
Propriétés des matériaux Propriétés géométriques
  • Dureté
  • Rapport de dureté
  • Comportement de déformation
  • Composition
  • Structure du matériau
  • Énergie de surface
  • Énergie de surface
  • Topographie du matériau
  • Morphologie de la surface
  • Rapport de contact
  • Forme et dimensions géométriques
Essieu de camion

Figure 2 : La tribologie couvre de nombreux facteurs différents de la mécanique. De la friction dans les roulements de cet essieu de camion à la friction entre les roues et la surface de la route.

Milieu interfacial
État d'agrégation des liquides et des gaz État d'agrégation des solides
  • Type (lubrifiant, gaz)
  • Contenu
  • Composition
  • Humidité
  • Teneur en eau
  • Viscosité
  • Polarité
  • Compatibilité
  • Structure moléculaire
  • Type (particules abrasives, particules d'usure, lubrifiants solides)
  • Composition
  • Structure
  • Déformation
  • Dureté
  • Dispersion
Moyen ambiant
  • Type (lubrifiant, gaz)
  • Contenu
  • Composition
  • Humidité
  • Teneur en eau
  • Viscosité
  • Polarité
  • Compatibilité
  • Structure moléculaire

Résultats fonctionnels

Les sorties fonctionnelles en tribologie sont le résultat de la transformation ou du transfert des entrées opérationnelles à travers la structure du système. En substance :

Entrée opérationnelle > Structure du système > Sorties fonctionnelles

Les exemples d'extrants fonctionnels sont : la puissance, le mouvement, l'information, la matière et le matériau.

Sorties de pertes

En raison de la nature du frottement et de l'usure, le facteur final est la perte de rendement. Cela comprend la dissipation et la perte d'énergie, ainsi que la création de débris. Minimiser le montant des sorties de pertes se traduit directement par une réduction et un contrôle plus efficaces des pertes financières. En mécanique, cela peut être réalisé, par exemple, par la lubrification.

Après avoir identifié le système et ses paramètres, nous appliquons différentes chimies de lubrifiants afin de déterminer le lubrifiant optimal pour l'application. Dans la deuxième partie, nous parlerons 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 de friction désigne la résistance créée par deux corps lorsqu'ils sont en contact. Les lois de friction de base décrivent la friction à un niveau macroscopique. Ils affirment que les forces de friction sont linéairement liées aux charges. Il est possible de calculer un paramètre principal sans dimension, appelé le coefficient de friction 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 vers 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 friction élevé, tandis que la glace sur l'acier a un faible coefficient de friction.

La quantité de friction peut être calculée à l'aide de la formule suivante du coefficient de friction, où :

  • μ = coefficient de frottement statique (μs) ou cinétique (μk)
  • Fn = Force normale appliquée
  • Fr = Force de frottement
Ceci montre le système tribologique, ici Fn est la force appliquée aux surfaces de glissement, Fr est la force de friction (mouvement), et la ligne rouge indique l'ajout de lubrifiant qui diminue le coefficient de friction cinétique.

Figure 3 : Ceci montre le système tribologique, ici Fn est la force appliquée aux surfaces de glissement, Fr est la force de friction (mouvement), et la ligne rouge indique l'ajout de lubrifiant qui diminue le coefficient de friction 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 friction. Il s'agit notamment de :

  • Fatigue de la 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 : Entraînant la formation de particules et de résidus

Applications modernes de la tribologie

Depuis ses premiers efforts pour améliorer le fonctionnement et prolonger la durée de vie des machines industrielles, la tribologie a évolué vers une large gamme 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 pris beaucoup d'ampleur. 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, notamment celles résultant des fluctuations extrêmes de température dans l'espace.
  • La tribologie verte explore la manière de minimiser l'impact sur l'environnement, ainsi que la manière de réduire la perte d'efficacité tribologique en utilisant des technologies ayant un impact environnemental minimal.
  • Le domaine de 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 du contact, la mécanique de la rupture 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 de trois articles, nous examinons trois parties principales de la tribologie et l'application de la tribologie en mécanique. Poursuivez votre lecture en vous penchant sur la lubrification.

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