Instrumentation

Ce dispositif de fretting est fortement instrumenté. Plusieurs capteurs permettent de récupérer toutes les informations concernant :

• les efforts tangentiels de l’actionneur (fournis par le pot vibrant), • les efforts tangentiels de frottement produit lors de la mise en contact,

• les déplacements relatifs entre le frotteur et l’échantillon-plan, mesurés à la fois à partir du bâti et à partir d’un point fixe sur le bras-porteur,

• la charge normale est appliquée manuellement avant chaque essai,

• la résistance électrique de contact Rc, spécialement implémentée pour cette étude, • et l’activité acoustique (EA).

La localisation de tous les capteurs est illustrée dans la Figure 2.11 et les caractéristiques des capteurs sont résumées dans le Tableau 2.1et précisées au paragraphe suivant.

Figure 2.11 : Disposition des capteurs sur le banc d’essais de fretting.

Tableau 2.1 : Instrumentation du dispositif de fretting.

Capteurs de force tangentielle

Deux capteurs résistifs (pont de Wheatstone) HBM™ U9B à jauges extensométriques permettent de mesurer les efforts tangentiels fournis par le pot électrodynamique Fa et la force tangentielle de frottement FT. Le premier capteur est vissé sur l’axe de la bobine du pot vibrant et le deuxième sur le bras-porteur (aligné sur l’axe horizontal du contact). Les caractéristiques de ces capteurs sont les suivantes :

• Force nominale de 0,5 kN, • Sensibilité de 0,002 mV/N,

• Tolérance sur la sensibilité ≤ 1% en traction et ≤ 2% en compression, • Fréquence propre 6,3 kHz.

Capteurs de déplacement

Les deux capteurs de déplacement permettent d’enregistrer les micromouvements relatifs de l’échantillon-plan.

Le premier capteur est de type inductif à noyau plongeur, de marque HBM™, modèle WA2, avec une étendue de mesure de 2 mm, une sensibilité de 40 mV/mm ± 1% et une fréquence propre de 4,8 kHz. Il est installé sur le bâti, et son noyau plongeur est lié à la plaque de relais pour mesurer en continu le déplacement relatif entre l’échantillon et le bâti fixe.

Le deuxième capteur de déplacement est un capteur de mesure sans contact (courant de Foucault) de marque KAMAN™, modèle 5U, avec une étendue de mesure de 1 mm et une résolution statique de 0,1 µm. Il est fixé sur le bras porte-échantillon avant le capteur de force de manière à mesurer en continu le déplacement relatif de l'échantillon plan sans que la déformation du capteur de force n’influe sur la mesure du déplacement. Ce capteur possède une calibration d’usine, néanmoins une calibration in situ a été nécessaire (Annexe 2).

Capteur d’émission acoustique (EA)

De par les mécanismes physiques mis en jeu et la diversité des sources émissives d’EA, la technique d’EA impose une instrumentation spécifique. Différentes fonctions de transfert entrent en jeu, depuis la source émissive jusqu’au système d’acquisition d’EA. Les ondes mécaniques reçues par le capteur sont converties en signaux électriques (salves), puis conditionnées et amplifiées, filtrées et traitées par le système d’acquisition. Ce dernier permet la gestion de la configuration du système (paramètres d’acquisition, graphiques, calcul de la localisation), mais également l’analyse temps réel par extraction des caractéristiques du signal d’EA lorsque la salve dépasse le seuil d’acquisition (Figure 2.12).

Figure 2.12 : Exemple de salve enregistrée en émission acoustique.

L’équipement d’émission acoustique utilisé a été développé et commercialisé par l’entreprise Euro Physical Acoustique (Mistras Group Ltd.). Le capteur piézoélectrique PCI2 permet d'acquérir les signaux d'EA, appelés salves, avec une très grande dynamique (> 85 dB et bande passante comprise entre 20 kHz et 3 MHz à – 3 dB) et une très haute vitesse d'acquisition (100 kHz à 40 MHz). Il est fixé au plus près du contact frottant, sur le porte échantillon plan, grâce à une pâte adhésive (Figure 2.13a). Cette pâte permet d’optimiser la

transmission des ondes mécaniques entre la surface de l’échantillon et le capteur garantissant un niveau de couplage adéquat.

a) b)

Figure 2.13 : (a) Capteur piézoélectrique PCI2 pour l’acquisition des signaux d’émission acoustique et (b) vérification du couplage par la technique de Hsu-Nielsen.

La qualité du couplage est évaluée à l’aide d’une mine spécifique de critérium de 0,5 mm de diamètre et de dureté 2H, permettant de générer des sources normalisées et répétables d’émission acoustique du type Hsu-Nielsen128 _{(norme NF EN 1330). Le test consiste en des} cassés de mines près de la zone du contact frottant (Figure 2.13b). Le couplage est optimal lorsque l’amplitude des signaux enregistrés est supérieure à 90 dB.

Les signaux d’émission acoustique générés par le contact frottant ne sont pas enregistrés en continu mais par salves car ils nécessiteraient alors une mémoire d’enregistrement importante mais aussi un travail de post-traitement important. De plus, les signaux sont seuillés lors de l’enregistrement afin d’éliminer les émissions provenant de l’environnement du contact (pot vibrant, par exemple). Ainsi, les signaux d’EA générant une amplitude inférieure à 29 dB n’ont pas été considérés pour la plupart des essais.

Le logiciel AEWIN utilise d’autres paramètres qui permettent de configurer les fenêtres glissantes du signal acoustique tels que la fréquence de déclenchement (pre-trigger), du temps correspondant au maximum d’une salve PDT (peak definition time), du temps précisant la fin d’une salve HDT (hit definition time), du temps à considérer avant le début d’une nouvelle salve HLT (hit lockout time), afin d’obtenir des salves non tronquées ou au contraire afin d’éviter l’enregistrement de salves faisant écho à une salve fondamentale. Les valeurs de ces paramètres ont été sélectionnées de telle sorte que la salve (signal) dans l’échelle temporelle soit la plus courte possible mais complète129 _{(Tableau 2.2).}

Une fréquence d’échantillonnage (sample rate) de 5 MHz a été choisie pour les essais à 5·103 cycles et de 2 MHz pour des essais à 25·103 _cycles.

128 _{HSU N. N., BRECKENRIDGE F. R., Characterization and calibration of Acoustic-Emission sensors,} Materials Evaluation 39 (1), pp. 60-68, 1981.

129 _{YAHIAOUI M., PARIS J.-Y., DENAPE J., Correlation between acoustic emission signals and friction} behavior under different sliding configurations and materials pairs, Key Engineering Materials, 640, pp. 21- 28, 2015.

Paramètres AE Seuil [dB] Pré amplification [dB] Sample rate [MHz] Pre-trigger [µs] PDT [µs] HDT [µs] HLT [µs] 29 60 2 et 5 100 200 500 800

Tableau 2.2 : Paramétrage pour l’acquisition des EA sur logiciel AEWIN.Résistance électrique de contact

La mesure de la résistance électrique de contact a nécessité la réalisation d’un montage dit à

quatre fils constitué d’un régulateur de tension 7805T, d’un amplificateur opérationnel

MCP606, d’un transistor de puissance bipolaire TIP41C, d’un amplificateur de tension AD623N, de résistances R1 à R8 et de cavaliers JP1 à JP8 (Figure 2.14). Ce circuit utilise une tension d’entrée de 12 Vcc. L’intensité du courant I est réglable manuellement sur une plage de 100 mA à 1000 mA avec une incertitude de 1 mA. La tension récupérée Vo, dite de sortie, est utilisée dans la loi d’Ohm pour obtenir la résistance électrique de contact Rc. Le gain de l’amplificateur de tension du circuit G peut être réglé par l’utilisateur, selon le besoin, soit × 100 ou × 1000. Pour tous les essais, le gain utilisé a été de × 100, ce qui permet une mesure de la résistance de contact entre 0 et 10 Ω. La mise en œuvre détaillée du circuit est développée en Annexe 3.

Figure 2.14 : Circuit à quatre fils pour la mesure de la résistance de contact Rc.

Acquisition des données

Une première centrale d’acquisition (QAUNTUM MX840A – HBM) est associée à un boitier dédié à la conversion des signaux des différents capteurs cités plus haut en signaux analogiques de tension comprise entre – 10 V et + 10 V afin de fournir des entrées paramétriques synchronisées à la deuxième centrale d’acquisition dédiée au dispositif d’émission acoustique (QAUNTUM MX878 - HBM).