4 Corrélation entre la charge électrique et la température produite par frottement 98

une caméra infrarouge pour étudier la conformité du contact entre les surfaces. Les résultats des mesures ont montré que la température à la surface des éprouvettes n’était pas uniformément distribuée. La température de la surface est liée à la pression de contact, au coefficient de frottement et à la vitesse de glissement [19,168]. Ce sous chapitre est consacré à l’étude de la corrélation entre les distributions de la charge électrique et de la température à la surface des échantillons.

L’étude a été réalisée avec des paires d’éprouvettes PVC – ABS. Les dimensions des éprouvettes de PVC et d’ABS ont été 5 mm x 15 mm x 100 mm respectivement 5 mm x 50 mm x 180 mm. Les éprouvettes ont été mises dans une configuration perpendiculaire (figure II-19 b) et la course de glissement a été s = 55 mm. Le tribomètre décrit dans le chapitre II-1 a été équipé d’un vérin linéaire à vitesse constante. Plusieurs séries de paramètres ont été utilisées pour cette étude, en les faisant varier un à la fois:

 FN =14 N; v = 25 mm/s, 50 mm/s, 75 mm/s; 100 mm/s; Cy = 80 cycles;  FN =14 N; v = 25 mm/s, 50 mm/s, 75 mm/s; 100 mm/s; Cy = 5 cycles;  FN =2 N; v = 25 mm/s; Cy = 5, 20, 40, 80 cycles;

 FN = 2 N, 6 N, 10 N, 14 N; v = 100 mm/s; Cy = 5 cycles;

 FN =2 N; v = 25 mm/s, 50 mm/s, 75 mm/s; 100 mm/s; Cy = 5 cycles.

Des cartographies de densité de charge électrique et de champ de température ont été numérisées pour chaque éprouvette d’ABS utilisée. Les mesures de densité de charge ont été réalisées en utilisant le protocole représenté sur la figure IV-4. L’installation présentée dans le sous-chapitre III-1.2 a été utilisée pour les mesure de charge, selon la méthode de conversion décrite dans le sous-chapitre III-3. Les cartographies de température ont été obtenues avec l’installation présentée dans le chapitre II-3.1. Les cartographies ont été collectées sous une forme matricielle : 21 x 73 points de mesure pour la charge et la température. La résolution spatiale entre deux mesurées voisines dans cette matrice est de 2,5 mm. La corrélation entre les deux matrices de données est réalisée en utilisant une routine en Matlab qui implémente la formule de Pearson en 2 D [169] :

𝐶𝑐𝑜𝑟𝑟 = ∑ ∑ (𝜎𝑚 𝑛 𝑚,𝑛− 𝜎̅)(𝑇𝑚,𝑛− 𝑇̅)

√(∑ ∑ (𝜎𝑚 𝑛 𝑚,𝑛− 𝜎̅)2)(∑ ∑ (𝑇𝑚 𝑛 𝑚,𝑛− 𝑇̅)2)

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où σ est la matrice des mesures de la densité de charge, T est la matrice des mesures de

température, m et n sont les indices de position des éléments de la matrice, _{𝜎̅ et 𝑇̅ sont les deux} valeurs moyennes calculées pour les éléments de chaque matrice. Plus le coefficient de corrélation Ccorr a une valeur proche de 1, meilleure est la corrélation. La figure IV-18 montre que la corrélation s’est située entre 0,61 et 0,82. Une corrélation plus faible a été obtenue pour les vitesses de 25 mm/s et 100 mm/s où les variations de densité de charge ont été les plus grandes. La vitesse de glissement est un paramètre qui n’influence pas la valeur moyenne de charge mais a des influences sur l’uniformité de la distribution de la charge. Cette distribution non uniforme réduit le niveau de corrélation pour les deux vitesses extrêmes de notre étude.

Figure IV-18. Corrélations densité de charge - champ de température : FN =14 N; Cy = 80 cycles /FN =14 N; Cy = 5 cycles; Variation de la densité de charge moyenne b) respectivement

Étude expérimentale de l'effet de la charge triboélectrique à l’interface solide-solide dans un mouvement de translation

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Figure IV-19. a) Corrélations densité de charge - champ de température : FN =2 N; v = 25 mm/s; Variation de la température moyenne b) et de la densité de charge moyenne c).

La figure IV-19. a) illustre la corrélation pour un nombre de cycles variable. Les essais ont été réalisés à une température ambiante T = 25 °C - 26 °C et une humidité relative RH = 35%. Les paramètres de vitesse et de force normale ont été diminués à 2 N et 25 mm/s pour réduire l’effet de température qui pourrait se produire. Le coefficient de corrélation augmente avec le nombre de cycles réalisés de 0,59 pour 5 cycles de frottement à 0,82 pour 80 cycles. Les figures IV-19. b) et c) présentent respectivement les évolutions de la température moyenne et la densité de charge moyenne en fonction du nombre de cycles.

Les résultats de la figure IV-20 montrent la corrélation charge électrique – température pour une variation de la force normale de contact. Le coefficient de corrélation augmente avec la force normale appliquée, de 0,56 pour une force de 2 N à 0,77 pour 14 N. La température ambiante et l’humidité relative sont restées stables : T = 27 °C – 27.5 °C et RH = 50%. Les valeurs de densité de charge moyenne 1,17 nC/mm2 _{pour F}

N =2 N; v = 100 mm/s; Cy = 5 (figure IV-20) sont proches des celles obtenues pour FN =2 N; v = 25 mm/s; Cy = 5 (2,75 nC/mm2 ; figure IV-19), puisque la vitesse n’influence pas le niveau de charge. La valeur plus faible montrée sur la figure IV-20 est due à une humidité plus élevée qui a diminué la génération de charge [50].

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Figure IV-20. a) Corrélations densité de charge - champ de température pour v = 25 mm/s; Cy = 5 cycles. Variation de la densité de charge moyenne b) et de la température moyenne c). S'agissant de l'influence de la vitesse de glissement, les résultats de la figure IV-21 montrent une corrélation faible située entre 0,42 et 0,57. Une corrélation plus faible est réalisée pour les vitesses de 50 mm/s et 75 mm/s où la variation de la densité de charge est plus petite. Cette faible corrélation est causée par une faible augmentation de la température. Dans les conditions de cette expérimentation, la vitesse n’a que de faibles effets sur la génération de charge et sur l’augmentation de la température.

Les résultats expérimentaux sur la corrélation de la densité de charge-champ de température ont montré qu’un coefficient de corrélation plus grand est représentatif d’augmentations des niveaux de charge et de température. Un exemple de cartographie est montré sur la figure IV- 22. La corrélation augmente avec la force normale de contact et avec le nombre de cycles pouvant atteindre une valeur supérieure à 0,80. L’effet de la vitesse est faible pour la corrélation car la densité de charge moyenne reste relativement constante.

Une bonne corrélation est obtenue sur les valeurs de forces et de cycles de frottement plus élevées où la répétabilité des deux phénomènes est forte. Les résultats confirment qu'une certaine relation existe entre les deux phénomènes et une analyse plus détaillée pourrait donner des informations sur le mécanisme de génération de charge.

Étude expérimentale de l'effet de la charge triboélectrique à l’interface solide-solide dans un mouvement de translation

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Figure IV-21. a) Corrélations densité de charge - champ de température pour FN =2 N; Cy = 5 cycles; Variation de l’étendue de la densité de charge respectivement b) de l’étendue de la température c).

a) b)

Figure IV-22. Comparaison des cartographies pour FN =2 N; v = 25 mm/s; Cy = 80 cycles; a) charge électrostatique générée par frottement ; b) température générée par frottement

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