Introduction à la tribologie

Le nom tribologie a été créé en Angleterre ; il a été utilisé pour la première fois dans le rapport [1] présenté le 23 novembre 1965 au Minister of State for Education and Science et publié en février 1966. Ce nom vient du grec τρβειν (tribein : frotter) et λóγος (logos : parole, étude ou science ); ainsi la tribologie est l'étude ou la science du frottement. Plus généralement la tribologie concerne l'étude des surfaces en contact et en mouvement relatif, elle regroupe ainsi la lubrification, le frottement et l'usure des éléments de machine. Notons que la notion de frottement a été définie dans les études remarquables [2] de Léonard de Vinci, de Guillaume Amontons et de Charles Coulomb aux xv^e, xvi^e et xviii^e siècles. Le frottement fait intervenir de nombreux phénomènes, mais de façon simple on peut le définir comme étant l'action qui tend à s'opposer au déplacement relatif de deux solides en contact. De même l'usure, qui peut prendre de très nombreuses formes, correspond à la détérioration des surfaces au cours de leur utilisation.

La tribologie est présente dans la plupart des activités humaines et son domaine, depuis ces cinquante dernières années, s'est largement développé. On peut citer, entre autres, la marche humaine avec l'adhérence au sol, le comportement des articulations et le développement des prothèses, la tenue d'objets à la main, ou encore la tenue du fœtus dans le placenta, la tenue sur route des roues de voitures qui se trouvent paralysées les jours de verglas ou de neige, le ski sur piste, le patinage artistique, la production de sons musicaux par frottement d'un archet contre les cordes tendues d'un violon, les têtes de lecture des disques magnétiques des ordinateurs, le vernis antirayures des verres de lunettes, la mise en forme des matériaux... et même la recherche sur les activités de l'homme, pendant la Préhistoire. Cette énumération n'est bien évidemment pas exhaustive.

Pour souligner l'importance de la tribologie, il faut noter que, dans les pays développés, les pertes par frottement et usure représentent entre 3,5 et 4 % du PIB et que dans une automobile moderne plus de 25 % de la puissance affichée du moteur est perdue en frottement. Enfin selon une étude récente du CETIM, 80 % des avaries des pièces mécaniques commencent en surface ; ainsi la surface est actuellement une réelle butée technologique.

Nomenclature

A

surface apparente de contact (m²)

A_r

surface réelle de contact (m²)

C

jeu radial (m)

E₁ et E₂

modules de Young des deux matériaux (Pa)

E_eq

module d'élasticité équivalent des matériaux (Pa)

F

force de frottement (N)

L

longueur du cylindre ou du contact (m)

L_n

charge linéique (N/m)

N

charge dynamique appliquée au contact (N)

N_c

charge critique d'endommagement (N)

P_max

pression maximale (Pa)

P_m

pression moyenne de contact (Pa)

R

rayon de l'arbre, du cylindre ou du contact (m)

R₁ et R₂

rayon de courbure des surfaces 1 et 2 (m)

T

température (˚C)

T_c

température de contact (˚C)

T_f

température flash (˚C)

T_m

température moyenne (˚C)

U₁ et U₂

vitesses linéaires des surfaces 1 et 2 en contact (m/s)

V

vitesse de glissement (m/s)

a

rayon du contact de Hertz (m)

b

demi-largeur du contact de Hertz (m)

c_i

capacité calorifique

h_min

épaisseur minimale du film (m)

α

coefficient de piezoviscosité (Pa^-1)

β

effusivité thermique (S.I.)

δ

délais d'inflamabilité (t)

λ

conductivité thermique (w.m^–1.K^–1)

µ

viscosité du lubrifiant (Pa.s)

η

diffusitivité thermique (S.I.)

µ₀

viscosité du lubrifiant à pression ambiante (Pa.s)

f

coefficient de frottement

f_D

coefficient de frottement dynamique

f_S

coefficient de frottement statique

ρ

masse volumique (kg/m³)

σ_e1 et σ_e2

limite élastique des matériaux 1 et 2 (Pa)

σ_e,inf = inf(σ_e1,σ_e2)

contrainte limite inférieure des deux limites élastiques des deux matériaux (Pa)

nombre de Taylor

τ

contrainte de cisaillement (Pa)

υ₁ et υ₂

coefficients de Poisson des deux matériaux

ω

vitesse angulaire de l'arbre en rotation (rd/s)