Percée en tribologie : rendre prévisibles des films lubrifiants extrêmement fins
Extension de l'équation de Reynolds par une loi de glissement de paroi non linéaire
De nombreux systèmes tribologiques sont exploités à leur limite de charge pour des raisons d'efficacité. Les espaces de lubrification sont de plus en plus étroits et les films lubrifiants doivent résister à des charges plus importantes. Pour concevoir ces systèmes de manière fiable, le développement et la construction dépendent de méthodes de calcul précises. Cependant, les méthodes de calcul conventionnelles échouent lorsqu'il s'agit de ce que l'on appelle la lubrification limite. Des chercheurs du Fraunhofer IWM de Fribourg ont réussi à clarifier les mécanismes de la lubrification limite et à les rendre prévisibles. Cela ouvre la voie à de nouvelles possibilités de conception de tribosystèmes à haute performance. Ils présentent leur approche novatrice dans une revue scientifique de renom.
Lorsqu'un véhicule électrique accélère, le moteur génère des forces maximales et d'énormes pressions s'exercent sur les engrenages de la transmission électrique. La surface rencontre la surface, le métal rencontre le métal. S'il n'y avait pas de film lubrifiant pour permettre aux engrenages de glisser plus facilement, ils deviendraient non seulement extrêmement chauds, mais s'useraient aussi rapidement. "Sans film lubrifiant, de nombreux objets de notre vie quotidienne seraient plus lents, plus grinçants et plus saccadés", explique le professeur Michael Moseler, chef de l'unité commerciale Tribologie au Fraunhofer IWM. "Le véhicule électrique n'atteindrait certainement jamais une telle autonomie", ajoute le Dr Kerstin Falk, qui dirige l'équipe "Molecular Lubrication Design". Ensemble, ils étudient le comportement des films lubrifiants dans les contacts tribologiques fortement sollicités afin de prédire leur aptitude à un fonctionnement à faible frottement. Qu'il s'agisse de métal, de plastique ou de céramique, une lubrification idéale permet d'économiser plus de 20 % d'énergie, car les machines fonctionnent avec moins de résistance. Il s'agit également d'un domaine de recherche prometteur en termes de durabilité.
Il n'est donc pas étonnant que les entreprises partenaires du Centre de microtribologie µTC, une collaboration entre le Fraunhofer IWM et l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT), soient très intéressées par la réduction maximale des frottements dans leurs systèmes. "De nombreux systèmes tribologiques sont aujourd'hui conçus à leur limite de charge, c'est-à-dire à des épaisseurs de film lubrifiant de l'ordre du nanomètre et à des pressions de l'ordre du gigapascal. Nos partenaires se demandent comment calculer le frottement d'un composant avec des contacts tribologiques aussi fortement sollicités, car les méthodes conventionnelles de calcul de la dynamique des fluides échouent dans ces conditions extrêmes", explique Kerstin Falk pour résumer le problème. Avec leur équipe de simulation au MicroTribology Centrum μTC, Falk et Moseler ont trouvé une réponse à cette question. Ils présentent aujourd'hui les résultats de leurs recherches dans la célèbre revue Science Advances.
Comprendre et optimiser le frottement
La manière dont le frottement peut être calculé et donc maintenu à un niveau aussi bas que possible dépend du régime de lubrification qu'une entreprise vise pour ses composants. En général, elle souhaite faire fonctionner ses tribosystèmes - où une force presse les corps primaire et secondaire l'un contre l'autre - dans des conditions élastohydrodynamiques. Un film lubrifiant, dont l'épaisseur est bien supérieure à la rugosité des deux surfaces, est destiné à réduire le frottement. Dans ce cas, le frottement peut être prédit de manière très précise à l'aide d'une approche de mécanique des milieux continus. Il s'agit de résoudre l'équation dite de Reynolds pour le lubrifiant, dérivée par Osborne Reynolds en 1886.
En outre, l'équation de conduction thermique pour l'ensemble du système et les équations élastiques linéaires pour les deux surfaces sont calculées. Les seules données matérielles requises sont les modules d'élasticité et les coefficients de Poisson des partenaires de frottement, les conductivités thermiques et les capacités calorifiques de tous les matériaux impliqués, ainsi que des lois constitutives précises - pour la densité du fluide et pour sa viscosité dynamique - pour un champ de paramètres comprenant la pression, la température et le taux de cisaillement local dans le fluide. Il s'agit là de l'état de l'art.
Toutefois, si le système tribologique fonctionne en lubrification limite, c'est-à-dire avec un film de lubrifiant très fin dans lequel les contacts d'aspérité, c'est-à-dire les pics de rugosité, ne sont séparés que par quelques couches atomiques de lubrifiant, seul un coefficient de frottement approximativement estimé est utilisé dans les calculs pour les points de contact "secs". "Cette situation est très insatisfaisante, car les calculs effectués avec des paramètres de matériaux approximatifs sont inexacts, conduisent à des conceptions sous-optimales et coûtent finalement beaucoup d'argent aux entreprises", explique Michael Moseler.
Kerstin Falk et Michael Moseler ne se sont pas contentés de cela : Avec quatre entreprises partenaires du MicroTribology Centrum µTC, ils ont recherché, dans le cadre d'un projet de trois ans, leur propre loi mathématique pour le comportement des films lubrifiants extrêmement fins et ont, pour ainsi dire, développé l'équation de Reynolds. "Nous voulions comprendre comment se comporte le frottement dans la lubrification limite", explique Moseler. L'objectif du projet est de déterminer en dessous de quelle épaisseur de film lubrifiant la mécanique du continuum échoue et comment les équations sous-jacentes peuvent être étendues afin de calculer un film lubrifiant plus fin que la rugosité de la surface. À cette fin, la dynamique moléculaire d'un lubrifiant hydrocarboné dans une géométrie de contact à aspérité a été calculée, par exemple deux surfaces de carbone de type diamant (DLC) lubrifiées avec une huile de base polyalphaoléfine (PAO). Les résultats de la simulation de dynamique moléculaire ont ensuite été comparés à ceux de l'équation de Reynolds.
Le résultat est retentissant : Pour des pressions entre les partenaires de frottement inférieures à 0,4 gigapascal et des hauteurs de fente de lubrification supérieures à 5 nanomètres, la description de Reynolds s'accorde bien avec les calculs de référence de la dynamique moléculaire, à condition d'utiliser une loi constitutive exacte pour la viscosité du lubrifiant. En revanche, Kerstin Falk et Michael Moseler ont pu montrer que dans des conditions extrêmes de lubrification limite, à savoir des pressions élevées d'environ 1 gigapascal et des hauteurs de fente de lubrification faibles d'environ 1 nanomètre, l'adhérence du lubrifiant aux surfaces est réduite et que, par conséquent, le glissement entre un partenaire de frottement et le lubrifiant doit être inclus dans le calcul afin de prédire correctement le frottement. Cela nécessite une loi de glissement de paroi non linéaire. Cette loi relie les vitesses de glissement de paroi (c'est-à-dire la différence de vitesse entre un partenaire de frottement et le lubrifiant adjacent) aux contraintes de cisaillement locales dans le film lubrifiant.
Percée en tribologie : rendre le frottement limite prévisible
Avec ces résultats, les chercheurs présentent maintenant une méthode innovante pour prédire le frottement dans des conditions de lubrification limite. La structure atomique des surfaces de frottement est un élément d'information supplémentaire nécessaire à cette modélisation prédictive non empirique des contacts tribologiques fortement sollicités. Celle-ci est déterminée à l'aide d'analyses expérimentales approfondies et constitue une condition préalable à l'application de la loi sur le glissement des parois.
Les nouvelles découvertes de l'IWM Fraunhofer sont maintenant utilisées dans des projets de suivi pour prédire les coefficients de frottement et le comportement du frottement dans des applications spécifiques - par exemple dans les engrenages et les roulements - ainsi que pour aider les partenaires de recherche à acquérir une expertise en matière de simulation. Ils peuvent alors effectuer des simulations au banc d'essai et sur les composants, réduire les incertitudes dans la conception des systèmes tribologiques et déterminer plus précisément les paramètres de conception. Il s'agit d'une étape importante vers la conception de lubrifiants, de surfaces et de composants fondée sur la connaissance, qui devrait s'avérer extrêmement intéressante pour les fabricants de lubrifiants et de revêtements, ainsi que pour les fabricants de roulements et d'engrenages.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Andrea Codrignani, Stefan Peeters, Hannes Holey, Franziska Stief, Daniele Savio, Lars Pastewka, Gianpietro Moras, Kerstin Falk, Michael Moseler; "Toward a continuum description of lubrication in highly pressurized nanometer-wide constrictions: The importance of accurate slip laws"; Science Advances, Volume 9
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