Théorie du contact de Hertz - Contacts ponctuels ou linéiques

Lorsque deux solides aux frontières courbes entrent en contact, ils définissent un plan tangent commun appelé plan de contact. La famille des contacts hertziens correspond à des contacts dont le premier contact dans ce plan est, soit un point (contact ponctuel), soit une ligne (contact linéique). Heinrich Rudolf Hertz en a proposé les premiers éléments de solution entre 1881 et 1895.

Sous l'effet d'une force normale au plan tangent commun aux deux pièces, une surface de contact se crée à travers laquelle les efforts sont transmis d'une pièce à l'autre. Il s’agit d’une ellipse pour la famille des contacts ponctuels et d’un rectangle allongé pour la famille des contacts linéiques. Ces efforts localisés génèrent une répartition spécifique de contraintes dans la région du contact qui peut entraîner des déformations permanentes ou des endommagements ; il est important de pouvoir les prévoir.

L'application de la théorie de Hertz  à ce contact permet de prévoir la forme et les dimensions de la surface de contact, la répartition des contraintes en surface et en sous-couche au voisinage du contact ; on peut ainsi déterminer dans chacun des solides la zone la plus sollicitée et choisir le matériau ou les traitements de surface ou revêtements adaptés.

Pour mener à bien une étude, il est nécessaire de connaître les informations suivantes :

• les géométries des deux pièces au voisinage du contact (courbures) ;

• leur positionnement relatif ;

• l’effort de contact normal au plan tangent commun ;

• les propriétés d'élasticité des deux solides (module de Young et coefficient de Poisson) des matériaux en contact.

Pour le dimensionnement, les limites d'élasticité, de rupture ou de fatigue pourront être nécessaires.

Dans cet article, on abordera dans un premier temps les hypothèses des contacts hertziens et la définition des grandeurs géométriques et mécaniques décrivant ces contacts. On présentera ensuite la solution du cas général du contact ponctuel et son application au contact particulier sphère/plan, puis la solution du cas général du contact linéique cylindre/cylindre à axes parallèles. Dans une seconde partie, l’état de contraintes en surface et en profondeur est décrit à l’aide de formules analytiques. Les principes de dimensionnement/choix des matériaux en sont déduits. Enfin, on abordera qualitativement l’effet d’un effort tangentiel ajouté au chargement normal.