Coefficient de frottement

Le phénomène physique de frottement apparaît dans maintes applications techniques. Markus

et al. (Markus et al., 2004) soulignent que le coefficient de frottement dépend de plusieurs paramètres telles que la vitesse, la rugosité, la pression normale et la température.

1.8.1 Mécanisme de frottement

En présence de deux corps en contact, soumis à des charges normales et tangentielles, le micro glissement se produit à l’interface de contact avant que le macro glissement soit initié, c’est-à-dire, début de mouvement.

Deladi (Deladi, 2006) définit le déplacement préliminaire comme étant le micro déplacement. La valeur maximale du déplacement préliminaire juste avant le macro glissement, dénotée par δl est appelée limite de déplacement, et elle correspond à la force de

frottement statique Fs pour un mouvement imminent de translation comme montré sur la Figure 1.20.

Quant à Maya et Mark (Maya et Mark, 2003), ils montrent une représentation schématique similaire pour un mouvement de rotation dans le but de déterminer le coefficient de frottement statique d’un élastomère composite à différents niveaux de forces de compression comme montré sur la Figure 1.21.

Figure 1.20 Schéma de frottement en translation. (Tiré et adapté de Deladi, 2006)

Source : Cette figure a été tirée et adaptée de l’article de périodique de M. Deladi E. L., A static friction in rubber-metal contacts with application to rubber PAD forming processes, p.10.

Ces essais expérimentaux montrent, pour chacune des forces de compression, la valeur limite de rotation θl correspondant au couple maximum de frottement statique Ts pour un

mouvement de rotation imminent. Il est clair que le couple qui amorce le glissement et l’angle limite de rotation est plus significatif lorsque la force de compression augmente.

Figure 1.21 Schéma de frottement en rotation. (Tiré de Maya et Mark R., 2003)

Source : Cette figure sous forme de graphique a été tirée de l’article de périodique de Ms. Maya et Mark R., An approach of frictional characterization for elastomers and elastomeric composites, p.342.

θl

McFarlane et Tabor (McFarlane et Tabor, 1950) ont analysé le régime statique de frottement par le glissement d’une bille d'acier sur un bloc d'indium. Une description du processus relatif à cette étape préliminaire de frottement est présentée dans la Figure 1.22. Lorsqu’une charge normale est appliquée sur la bille, le matériau commence à s’aplatir jusqu'à ce que la surface de contact soit assez grande pour supporter la charge. Des jonctions métalliques sont alors créées dans les vraies surfaces de contact. Lorsqu’une faible charge tangentielle est appliquée, le flux est lancé puisque les jonctions sont déjà déformées par la charge normale. Le déplacement provoqué par le flux déterminera davantage un accroissement de la surface de contact.

Figure 1.22 Frottement statique dans un contact métal-métal. (Tiré de Deladi, 2006)

Source : Cette figure a été tirée et adaptée de l’article de périodique de M. Deladi E. L., A static friction in rubber-metal contacts with application to rubber PAD forming processes, p. 12.

En augmentant graduellement la charge tangentielle, la taille de la jonction augmente jusqu'à ce que le taux d'accroissement de la charge tangentielle soit plus grand que celui de la surface de jonction, auquel cas le glissement macroscopique s’amorce (Ft = Ftmax).

En ce qui concerne le contact caoutchouc-verre, Barquins et Roberts (Barquins et Roberts, 1986) ont conduit des expériences pour aboutir à la conclusion que le coefficient de frottement statique diminue lorsque la charge normale augmente.

Persson (Persson, 2001) met l’emphase sur l’importance de connaître la surface réelle lorsqu’il s’agit du caoutchouc (corps déformable) en contact avec une surface rigide. La Figure 1.23 montre la déformation du caoutchouc en épousant la forme des cavités du corps

rigide sous l’action d’une charge normale assez faible a) et une charge normale importante b). Dans les cas, les coefficients de frottement statiques sonr différents.

Figure 1.23 Déformation du bloc de caoutchouc. (Tiré et adapté de Persson, 2001)

Source : Cette figure a été tirée de l’article de périodique de M. Persson, B. N. J., Theory of rubber friction and contact mechanics, p.3843.

1.8.2 Appareillage pour la mesure du frottement

Dans les capsules filetées, le couple de dévissage est dû aux contacts capsule-contenant et joint-contenant. À ces interfaces, le frottement joue un rôle important dans la manière avec laquelle le couple se répartit dans la fermeture. Pour maîtriser davantage le phénomène de frottement, il y a lieu de conduire des essais expérimentaux avec des appareillages adéquats permettant de déterminer soigneusement le coefficient de frottement statique dans l’ensemble des contacts de la capsule et de la garniture avec le goulot du contenant.

McCarthy (McCarthy, 1966) utilise un montage composé de trois dispositifs pour mesurer le coefficient de frottement dans le filetage de trois capsules plastiques de diamètre d en PP, polyéthylène linéaire (PEL) et PS. La première partie sert à mesurer la force de serrage Fc générée par le ressort pour pincer la capsule contre le goulot de la bouteille en verre (Voir Figure 1.24). Cette force n’est autre que la force circonférentielle à la capsule. Ce mécanisme est assemblé à un appareil commercial (tierce partie) pour mesurer le couple de serrage de la capsule avec le goulot de la bouteille en verre moyennant un dispositif intermédiaire porte- goulot de la bouteille (deuxième partie). La Figure 1.25 montre le montage complet qui permet de mesurer la force radiale Fc et le couple Tf.

Figure 1.24 Montage de mesure de la force radiale. (Tiré et adapté de McCarthy, 1966)

Source : Cette figure tirée de l’article de périodique de M. McCarty Robert, Performance of plastic screw thread attachements, p. 83.

Figure 1.25 Montage de mesure du couple et de la force radiale. (Tiré et adapté de McCarthy, 1966)

Source : Cette figure a été tirée de l’article de périodique de M. McCarty Robert, Performance of plastic screw thread attachements, p. 84.

La relation qui permet de déterminer le coefficient de frottement statique _μf à l’interface du filetage capsule-verre est donnée par :

= f f c T F d μ (1.2)

Quant à Supachai (Supachai, 2000), il utilise un concept plus simple, contrôlable et répétitif que celui de McCarthy (McCarthy, 1966) dans le but de mesurer le coefficient de frottement statique à l’interface joint-bouteille en tenant compte du sens et de la vitesse de rotation. Le principe consiste à placer des charges verticales Fv au dessus de la capsule montée libre sur le

goulot de la bouteille et suspendre des masses identiques de part et d’autre des crochets jusqu’à ce que le début de glissement s’amorce. Les câbles s’enroulent sur des poulies libres sans frottement. La Figure 1.26 illustre la conception du montage.

Figure 1.26 Montage de mesure du coefficient de frottement. (Tiré de Supachai, 2000)

Source : Cette figure a été tirée de l’article de périodique de M. Supachai Pisuchpen, Model for predicting application torque and removal torque of a continuous thread closure, p. 24.