L’effet des textures sur le frottement

Lorsque deux surfaces glissent l’une sur l’autre, il se crée un frottement. La force et l’usure dépendent entre autres de la rugosité des surfaces. Ce sujet d’étude est ardu à cause de la diversité des conditions de frottement et de la complexité du problème. De nouvelles technologies, comme la texturation à l’aide d’un laser femtoseconde, permettent de créer des microstructures qui modifient le comportement des surfaces au frottement.

Le contrôle du frottement dans les applications industrielles est une opportunité. Pensez aux pertes d’énergie dues aux frottements, à la courte durée de vie des composants soumis à des frottements ou à la difficulté de créer une adhérence suffisante. C’est pour ces raisons que la texturation des surfaces visant à en modifier les caractéristiques de frottement et d’usure a fait l’objet de nombreuses études durant les dix dernières années. Mais malgré l’intérêt porté à cette question, il est toujours difficile de comprendre les raisons sous-jacentes des effets de la texturation des surfaces sous certaines conditions de contact et de lubrification.

Une réduction pouvant atteindre 62 % 

Des recherches menées au département de Génie mécanique de l’Imperial College of London ont montré que, sous certaines conditions de frottement, des structures verticales dans le plan du déplacement avaient pour effet de réduire la force de frottement. 

L’effet des textures superficielles sur le frottement a été analysé expérimentalement pour un palier convergent-divergent fonctionnant sous différents régimes de lubrification. Les motifs texturés, composés d’alvéoles de diverses formes et orientations, ont été évalués pour leur capacité à réduire les pertes par frottement. Les tests ont été exécutés avec plusieurs lubrifiants de différentes viscosités et une charge normale. Les résultats ont indiqué que la réduction du frottement pouvait atteindre 62% par rapport à une surface de référence lisse.

Les chercheurs de Sirris étudient également ces phénomènes. Il a récemment été démontré qu’il est possible d’augmenter la vitesse d’un palier lisse de 20% au moyen d’une certaine texture. Un programme de recherche plus approfondi est actuellement élaboré avec l’appui du comité directeur du projet COOCK SURFACESCRIPT.

Approche de l’étude

L’optimisation d’un procédé repose souvent sur le réglage de plusieurs paramètres. Comment faire pour trouver les bons réglages ? Quelles valeurs allez-vous tester et combien de tests pouvez-vous réaliser ? Et la question récurrente « Comment varie le résultat lorsque vous modifiez deux réglages simultanément ? » Si on cherche dans la littérature une modification de surface pour réduire le frottement, on découvre que plusieurs facteurs entrent en jeu. Quelle sera la taille et la profondeur de ces structures, et quelle fraction de la superficie totale allez-vous traiter ?

Ce sont les quatre facteurs (inputs). La force de frottement mesurée est la réponse (output). L’expérimentation suivante vise à définir la texture qui réduit le plus la force de frottement. Pour chaque facteur, 2 à 3 valeurs sont choisies en accord avec les données publiées. Les microstructures suivantes ont été retenues :

• Alvéoles rondes ou sillons linéaires (1 mm)
• Une largeur de 20 ou 80 µm
• Une profondeur de 10 µm ou 50 µm
• Une superficie cumulée des microstructures de 5, 15, 50%.

Configuration du test

Les arbres texturés sont montés dans des portées cylindriques baignant dans un bain d’huile. La chute d’un poids suspendu (200 g – 1 kg) actionne la rotation de l’arbre. Le temps entre le point mort et le moment où une vitesse de rotation constante est obtenue est mesuré par des capteurs qui suivent les dents des volants d’inertie montés aux extrémités des arbres. Une fois les mesures effectuées, le logiciel DOE (design of experiments) permet de quantifier les influences des différents facteurs (effets). Un modèle mathématique permet de trouver la combinaison ou la tendance optimale parmi les combinaisons de facteurs testées. Les résultats seront publiés dans un prochain article. 

Vous avez un cas de frottement à étudier dans votre entreprise ou vous souhaitez en savoir plus sur nos recherches ou nos activités ? Contactez Olivier Malek et Eddy Kunnen chez Sirris !