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RÉSUMÉ
Le fonctionnement et la fiabilité des contacts entre éléments de mécanismes sont des sujets au coeur de la tribologie. Dans les contacts très chargés, dits en régime «élastohydrodynamique», tels que ceux rencontrés dans les roulements, les engrenages et les cames-poussoirs, l'intensité notamment des pressions et des températures peut être à l'origine d'avaries de surface qui dégradent la "peau" des massifs. Cet article étudie plus particulièrement les fatigues de surfaces à partir de modélisations tribomécaniques de ces contacts et permet d'évaluer les limites admissibles des paramètres fonctionnels.
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Louis FLAMAND : Professeur à l'Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures – UMR CNRS 5259
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Philippe SAINSOT : Maître de conférences à l'Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures – UMR CNRS 5259
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Ton LUBRECHT : Professeur à l'Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures – UMR CNRS 5259
INTRODUCTION
Les mécanismes industriels utilisent des pièces en mouvement relatif dont les liaisons sont généralement des paliers hydrostatiques ou hydrodynamiques, des roulements à billes ou à rouleaux, des engrenages ou encore des cames et des poussoirs. Alors que la performance de ces mécanismes dépend de concepts globaux, par exemple la dynamique, l'élasticité, leur fonctionnement et leur fiabilité sont tributaires de concepts locaux de tribologie ou de mécanique des contacts. En effet, les sollicitations provoquées par le contact entre les éléments en mouvement relatif induisent des champs de contraintes et de températures dans la « peau » de ces éléments qui, comparés aux limites admissibles pour les matériaux, peuvent être à l'origine d'avaries. Cet article a pour objectif de définir les critères qui permettent d'analyser la sévérité du fonctionnement du contact et les risques d'avaries de surface. C'est un problème important, à la fois du point de vue industriel et du point de vue scientifique. En effet, la plupart des mécanismes utilisent des contacts dans leurs liaisons, dont les dégradations constituent encore aujourd'hui un handicap important pour leur fiabilité. Par ailleurs, la modélisation de leur fonctionnement et de leurs dégradations constitue un domaine récent dont les aspects pluridisciplinaires en font un secteur très ouvert.
Le domaine de cette étude est limité à celui des contacts élastohydrodynamiques, c'est-à-dire ceux dans lesquels la pression de contact est élevée, de l'ordre de grandeur des limites de comportement élastiques des matériaux. Il s'agit notamment des roulements, des engrenages et des cames, à l'exclusion des paliers.
Dans un premier temps, les familles d'avaries seront présentées puis, à partir de concepts mécaniques, les paramètres du fonctionnement de ces contacts seront définis et enfin certaines limites seront établies.
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Relations paramètres-avaries de surface
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2. Modélisation mécanique du fonctionnement du contact
2.1 Position du problème
L'analyse du fonctionnement d'un contact élastohydrodynamique dans lequel les surfaces des massifs sont rugueuses est un problème pertinent sur le plan scientifique et très utile d'un point de vue industriel. Sa modélisation est à la frontière de plusieurs domaines de la mécanique : l'élasticité, la mécanique rationnelle, la mécanique des fluides, la rhéologie du lubrifiant et la thermique notamment. Elle fait également appel à d'autres disciplines, telles que la physique des matériaux et la chimie des lubrifiants et des surfaces. Il s'agit donc d'une démarche pluridisciplinaire.
Dans les mécanismes, ces contacts constituent des liaisons dont les caractéristiques dynamiques, raideurs et amortissements, interagissent sur leurs comportements et inversement.
Selon Godet et al , schématiquement un contact peut être analysé comme étant composé de trois domaines :
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d'une part, les premiers corps 1 et 2, qui sont les massifs associés par la liaison considérée, par exemple les deux dentures d'engrenage (figure 8) ;
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d'autre part, le troisième corps 3, qui est le milieu séparateur des premiers corps et qui permet l'accommodation de leur vitesse relative, par exemple le film lubrifiant entre les surfaces de denture.
Dans le cas des contacts très chargés étudiés ici, la non-conformité des surfaces en contact provoque des pressions très élevées, au-delà de 109 Pa. La déformation des massifs doit alors être prise en compte. L'association de l'élasticité des massifs et de l'hydrodynamique du film visqueux séparateur a conduit à qualifier...
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