Surface texturée avec un réseau de cavités

Nous venons de mettre en évidence dans le paragraphe précédent les effets d’un motif unique de profondeur variable sur la réponse tribologique d'un contact élastohydrodynamique. Nous nous intéressons maintenant à l’impact d’un réseau de cavités, à ce jour peu détaillé dans la littérature notamment en régime EHD à faible vitesse d’entraînement. L’analyse tribologique porte sur les réseaux de textures, étudiés précédemment dans le paragraphe (§3.1), en considérant l’impact de la texturation à la fois sur les distributions locales de l’épaisseur du lubrifiant dans le contact et sur le coefficient de frottement.

3.2.3.1. Distribution des épaisseurs de film lubrifiant

Ce paragraphe focalise sur les perturbations induites par un réseau de cavité sur la distribution en épaisseur du film en régime élastohydrodynamique. Les conditions opératoires se révèlent plus sévères que précédemment car :

 l’épaisseur centrale du film d’huile est faible (90 nm contre 240 nm en écoulement épais d’épaisseur élevée),

 la sphère présente ici une densité de textures élevée.

La Figure 3-16 présente l’interférogramme de contact en régime stabilisé pour différents réseaux étudiés (de a) à f)). Les différentes couleurs traduisent les perturbations locales de l’épaisseur qui dépendent des caractéristiques géométriques du réseau de textures. Afin de rendre compte de l’évolution de la distribution d'épaisseur du film lubrifiant, un traitement sur les niveaux de couleur est effectué pour quantifier l’aire des zones du contact pour laquelle l’épaisseur locale du film huile,

h, est supérieure à l’épaisseur d’huile au centre du contact, hc, dans le cas d’une sphère lisse.

Les représentations en noir et blanc en marge de chaque interférogramme illustrent respectivement les régions du contact dans lesquelles h < hc et h ≥ hc. On note Th- le rapport de la surface représentée en noir par rapport à la surface de contact et Th+ le rapport de la surface représentée en blanc par rapport à la surface de contact. Cependant, afin de comparer les différents réseaux de cavités entre eux, on veillera à retrancher la surface des textures présentes dans le contact.

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Figure 3-16 - Ensemble des interférogrammes de contact EHD pour les différents réseaux de textures étudiés. L’expérience est menée en glissement pur avec une huile minérale 600 NS de viscosité dynamique 0,25 Pa.s à 20°C. Le

contact est soumis à une charge normale, FN = 10 N et à une vitesse de glissement Ug = 2 Ue = -25 mm/s. Le cercle pointillé symbolise le bord du contact.

On constate que la présence des cavités dans le contact modifie fortement la distribution d'épaisseur du film lubrifiant. Cette perturbation dépend de la géométrie (diamètre, Ø et profondeur, d) et de la densité des cavités (TS). Les textures de faible diamètre (Ø = 20 µm) repérées par les lettres a) à c) sur la Figure 3-16 renforce significativement l’épaisseur quel que soit d, la valeur moyenne du paramètre

Th+ pour ces trois surfaces étant de 91 %. En revanche, pour les textures de diamètre important (Ø = 60 µm), illustrées Figure 3-16 en d) et e), l’épaisseur moyenne du film lubrifiant peut être diminuée ou augmentée selon d. Ainsi Th+ vaut respectivement 67 et 41 % pour B10-0.5 et B11-3.0. Ceci confirme les résultats obtenus par Mourier [24].

La Figure 3-17 montre la corrélation entre le paramètre Th+ (ou Th-) et la densité de textures TS. Une densité de texturation seuil est observée pour une surface de contact donnée. En effet, lorsque TS

dépasse 30 %, l’épaisseur moyenne du film lubrifiant est plus faible qu’en surface lisse. Par conséquent, si l’on souhaite augmenter la capacité de portance hydrodynamique d’un contact EHD, il faut privilégier les réseaux à faible densité de textures.

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Figure 3-17 - Evolution de Th+ en fonction de Ts pour les différentes surfaces texturées à l’état d’équilibre. Les expériences sont menées en glissement pur avec une huile minérale 600 NS de viscosité dynamique 0,25 Pa.s à 20°C. Le contact est

soumis à une charge normale, FN = 10 N et à une vitesse de glissement Ug = 2 Ue = -25 mm/s.

Après avoir montré les corrélations entre la distribution d’épaisseurs et TS en utilisant les paramètres

Th+ et Th-, nous allons, dans le paragraphe suivant, déterminer l’impact des réseaux de texture sur le frottement.

3.2.3.2. Réponse en frottement d’un réseau de cavités

L’étude précédente sur l’influence d’une mono cavité sur le frottement a montré l’importance de la capacité en rétention d’huile de la surface représentée par le paramètre TV. Dans les mêmes conditions opératoires, les réseaux de textures sont testés et leur réponse moyenne en frottement est présentée Figure 3-18.

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Figure 3-18 - Variation du coefficient de frottement moyen des surfaces texturées relativement à une surface lisse dans les conditions opératoires de glissement pur. Le contact est lubrifié par une huile de base 600 NS de viscosité dynamique

0,25 Pa.s à 20°C et est soumis à une vitesse de glissement Ug = 2 Ue = -25 mm/s.

Une diminution du frottement de 9 % est observée pour la surface B08-20-0.5 pour laquelle la densité de textures est de TS = 15 %. Néanmoins, contrairement à la distribution d’épaisseur, le niveau de frottement ne semble pas directement corrélé à ce dernier paramètre puisqu’aucune tendance générale ne se dégage pour les autres réseaux dont le paramètre TS est soit inférieur ou supérieur à celui de la surface B08. Ces résultats suggèrent l’existence d’un couplage complexe entre les caractéristiques morphologiques des réseaux de cavités qu’il convient de comprendre pour optimiser le comportement tribologique du contact tant du point de vue du contrôle de l’épaisseur du film lubrifiant que de celui du coefficient de frottement.

Le modèle utilisé précédemment pour décrire l’évolution de la contrainte de cisaillement interfacial due à la présence d’une cavité unique dans le contact est adapté au cas des réseaux de textures. L’introduction des paramètres Th+ et Th- permettent de prendre en compte les effets induits par la distribution locale de l’épaisseur du film lubrifiant. On obtient alors :

^3-14 Or hhors cavité est définie tel que :

3-15

Où h⁺ et h^- sont respectivement les épaisseurs moyennes de film d’huile mesurées dans les zones caractérisées par les rapports d’aire Th+ et Th-. Les valeurs numériques de h⁺ et h^- sont rappelées au Tableau 3-3. En combinant les équations 3-14 et 3-15, on en déduit :

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Les contraintes de cisaillement déduites de l’équation 3-16 sont présentées sous la forme d’un histogramme (Figure 3-19) pour l’ensemble des surfaces testées.

Figure 3-19 - Contrainte de cisaillement interfacial obtenue à partir de l’équation 3-16 pour chaque réseau texturé. On retrouve bien par le calcul que le réseau B08-20-0.5 conduit à la contrainte de cisaillement la plus faible. La contrainte de cisaillement totale relative à la B10-60-0.5 est également inférieure à celle produite par le glissement entre deux surfaces lisses. Ce résultat s’oppose à la réponse en frottement mesurée (Figure 3-18). D’une manière générale, le modèle donnant l’équation 3-16 prédit des valeurs de contrainte tangentielle toujours inférieures aux valeurs issues de l’expérience. Ces écarts ont plusieurs origines :

 le modèle fait l’hypothèse que le lubrifiant est iso-visqueux dans les cavités ce qui n’est pas le cas pour les cavités peu profondes où le fluide conserve son caractère piézo-visqueux même s’il est atténué par la chute de pression en son sein,

 _{toute chose étant égale par ailleurs, le positionnement des textures dans la zone de contact}

influence le coefficient de frottement comme cela sera discutée au §3.3.2,

 la capacité de rétention en lubrifiant quantifiée par le paramètre TV doit également être considéré comme nous le verrons au §3.3.1.