Notions fondamentales de lubrification

Malgré les propriétés tribologiques remarquables des revêtements DLC, mises en évidence dans les chapitres précédents, la lubrification reste un élément clé pour l’optimisation des performances de nombreux systèmes mécaniques. Elle permet en effet de réduire encore le frottement et l’usure tout en s’affranchissant notamment de l’influence non négligeable des conditions atmosphériques, en particulier de l’humidité sur les propriétés tribologiques de certains types de revêtement DLC. Enfin, elle joue également un rôle important au niveau du flux thermique et permet ainsi le refroidissement des pièces de moteur par exemple.

Quelle que soit la nature du contact étudié (surfacique ou Hertzien), il est commode d’utiliser une courbe de Stribeck pour présenter une classification des différents phénomènes de lubrification rencontrés. Ce diagramme représente les évolutions du coefficient de frottement en fonction d’un paramètre S sans dimension qui dépend de la vitesse V et de la charge Q

impliquées dans le contact ainsi que de la viscosité du lubrifiant utilisé

η

. Ce paramètre S

apparaît sous différentes formes et appellations (nombre de Stribeck ou de Sommerfeld), mais il est défini d’une manière générale par l’Équation 4.1.

CHAPITRE 4 : Vers une solution industrielle : optimisation de l’adhérence des revêtements et de leurs performances tribologiques en conditions lubrifiées

Q

V

S η^.

_{Équation 4.1}

=

Une représentation d’une courbe de Stribeck est donnée sur la Figure 4.4.

Figure 4.4 : Représentation d’une courbe de Stribeck et des trois principaux régimes de lubrification [Che92].

Le premier domaine (Régime 1 sur la Figure

4.4

) correspond à un régime de lubrification limite ou extrême pression pour lequel les deux surfaces sont en contact direct. La présence et la teneur des additifs dans le lubrifiant jouent alors un rôle déterminant.

Le deuxième domaine (Régime 2 sur la Figure 4.4) est appelé régime de lubrification élasto-hydrodynamique (EHL ou EHD). Il correspond au cas idéal pour lequel un film de lubrifiant sépare totalement les deux pièces antagonistes, empêchant ainsi toute interaction entre les surfaces. Dans ce cas, le frottement et plus précisément l’épaisseur du film de lubrifiant dans le contact sont dominés par les caractéristiques rhéologiques du lubrifiant (coefficient de piézoviscosité), l’état de surface et les propriétés élastiques des pièces antagonistes ainsi que par la géométrie, la nature et les caractéristiques du contact (vitesses, charges,…) [Bas03]. La création d’effets thermiques pendant le frottement joue également un rôle non négligeable sur les propriétés de lubrification.

Le troisième domaine (régime 3 sur la Figure 4.4) est le régime hydrodynamique pour lequel seule la viscosité du lubrifiant pilote le cisaillement.

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Cette courbe de Stribeck est donc très utile pour mettre en évidence les différents régimes de lubrification que l’on peut rencontrer dans certains systèmes mécaniques et particulièrement dans le domaine de l’automobile. Elle permet ainsi de présenter, comme le montre la Figure 4.5, les régimes de fonctionnement auxquels sont soumis différents types de pièce de moteur par exemple. On constate alors que certaines d’entre elles sont amenées à fonctionner dans plusieurs régimes de lubrification au cours d’un même cycle. Ceci permet d’ailleurs d’expliquer en partie les difficultés souvent rencontrées au cours des études visant à optimiser leurs performances [Pri00].

Figure 4.5 : Positionnement de quelques pièces moteur sur une courbe de Stribeck.

Les différents régimes de lubrification étant maintenant définis il apparaît alors clairement que l’amélioration des propriétés tribologiques d’un système fonctionnant en conditions lubrifiées, passe par l’optimisation du régime limite (régime 1). Ce dernier correspond en effet au régime pour lequel l’alimentation en lubrifiant est la plus réduite, ce qui entraîne l’apparition de coefficients de frottement plus élevés ainsi que de phénomènes d’usure et de grippage des surfaces.

Deux voies peuvent alors être envisagées pour réaliser cette optimisation :

- la première concerne les interactions entre les surfaces et les lubrifiants qui dominent le frottement dans ce régime limite. Dans le cas où l’une des surfaces en contact est revêtue de DLC, l’optimisation peut alors provenir soit du dopage du revêtement soit de la modification de la composition des lubrifiants et notamment des additifs [Pod05]. De plus, ces études concernant les interactions entre les surfaces et les lubrifiants sont également motivées par les restrictions environnementales qui vont amener à modifier considérablement la composition des lubrifiants (réduction voir suppression d’éléments tels que le Phosphore ou le soufre). Certains auteurs ont d’ailleurs déjà obtenu des résultats tribologiques très prometteurs dans le cas de revêtements DLC non hydrogénés (ta-C) en présence d’additifs organiques tels que du Glycerol Mono-Oléate (GMO) mélangé à une huile Poly-Alpha-Oléfine (PAO) ou encore du glycerol pur [Kan05] [Bar08].

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- la seconde correspond à la réalisation d’une texturation de surface sur l’un des éléments impliqués dans le contact. L’objectif est d’ici de venir retarder l’apparition du régime limite en élargissant le domaine élasto-hydrodynamique. Autrement dit, l’intérêt est ici de modifier le contact de façon à permettre la conservation d’un film de lubrifiant continu et épais au cours du frottement. D’un point de vue industriel et en particulier dans le domaine de l’automobile, l’une des plus anciennes applications de cette texturation de surface concerne les chemises de pistons, mais d’autres systèmes sont également concernés tels que les segments de pistons [Ryk06] ou encore les butées [Wan03]. Les premiers résultats mis en évidence par ces études sont très encourageants et expliquent l’intérêt croissant suscité par cette texturation de surface.

C’est donc cette solution qu’il a été choisi de développer dans ce travail. Le paragraphe suivant permet d’introduire les paramètres spécifiques liés à cette technique.

Dans le document Élaboration et caractérisation de revêtements type "Diamond-Like Carbon" déposés par un procédé chimique en phase vapeur assisté par un plasma basse fréquence (Page 177-180)