Tribologie – une histoire en mouvement

2013 octobre 25, 16:49 CEST

La performance dans notre vie quotidienne de nombreuses machines, comme les voitures, les trains, les avions, les robots, les turbines et les compresseurs dépend du contact avec les surfaces en mouvement. Ces surfaces nécessitent souvent d'être lubrifiées pour assurer une durabilité et un rendement énergétique appropriés. Sans lubrification, l'usure et les dégâts subis par les machines doivent être limités pour atteindre les paramètres de performance nominale. Les connaissances permettant d'accomplir tout ceci sont englobées dans la branche scientifique appelée « tribologie ».

Göteborg, 25 octobre 2013 : La tribologie est la science et l'ingénierie de l'interaction des surfaces en mouvement relatif. Elle inclut l'étude et l'application des principes de frottement, de lubrification et d'usure. La tribologie est une branche du génie mécanique et des sciences des matériaux.

En 1966, le Rapport Jost [1] produit par un Comité du Département britannique de l'éducation et des sciences inventa officiellement le mot Tribologie pour décrire la totalité de ce domaine.
Le mot tribologie est dérivé de la racine grecque τριβ- du verbe τρίβω, tribo, « je frotte » en grecque classique et du suffixe -logie de -λογία, -logia « étude de », « connaissance de ».

Les connaissances contenues dans la tribologie sont utilisées dans la conception de toutes sortes de roulements et paliers. Pour les roulements, la tribologie donne des informations sur la sélection des lubrifiants (huile et graisses) pour une application, la conception du roulement et le choix des matériaux et surfaces de roulement ; elle est également utilisée pour calculer les pertes de frottement, l'élévation de température et la durée de vie du lubrifiant et du roulement même.

Autrefois, les roulements étaient principalement conçus en se basant sur les connaissances empiriques des matériaux et les aspects de modélisation mécaniques et d'usure de base. Toutefois, l'industrie moderne exige désormais une performance élevée des roulements et la connaissance empirique ne suffit plus. Un grand nombre de ces exigences affecte les surfaces de contact ; les vélocités plus élevées, les températures plus élevées, les densités de puissance plus élevées, les lubrifiants plus fins, les conditions environnementales ou additifs plus agressifs, les vibrations plus fortes, etc. En général, les roulements sont des composants extrêmement fiables, mais lorsqu'ils subissent une défaillance, la cause fondamentale est souvent due à la surface, p. ex. mauvaise lubrification, contamination, usure, températures élevées associées au frottement, etc. où la connaissance de la tribologie est tout à fait pertinente. C'est pourquoi la compréhension des mécanismes tribologiques et le développement de solutions tribologiques innovantes sont devenus si importants dans l'industrie des roulements.

Les roulements modernes sont conçus sur la base de connaissances en tribologie hautement sophistiquées, de la sélection des matériaux à la conception de leur géométrie et du fini de leur surface ; ceci inclut la spécification du lubrifiant et des joints pour un fonctionnement fiable et en toute sécurité. Les connaissances en tribologie impliquées nécessitent l'utilisation de modèles informatiques sophistiqués et d'expériences en laboratoire et de méthodes d'essai approfondies.

En 2012, SKF a investi 180 million € en R&D, ce qui représente 2,5 % du chiffre d'affaires annuel. Les activités de développement ont permis de déposer 660 divulgations d'invention et 421 nouveaux brevets en 2012. 

Des innovations importantes ont été produites grâce aux connaissances en tribologie au sein de SKF. Par exemple, les roulements E2 (éco-énergétiques), le revêtement NoWear, les roulements hybrides, les cages en laiton et en polymère, les roulements super finis pour applications spéciales, la texture de surface, les spécifications de graisse et de lubrifiant, les joints à faible frottement, etc. proviennent tous du travail de R&D de SKF.

Les connaissances en tribologie sont également appliquées dans de nombreux outils et logiciel de prévision SKF. Il s'agit entre autre de BEAST, de Bearing Beacon, des modèles de catalogue en ligne, du modèle de frottement SKF pour roulements, du modèle de durée de vie de roulement SKF (en particulier les facteurs de lubrification et de contamination), le modèle de durée de vie de graisse SKF et le modèle de fatigue de surface SKF. Ce sont des outils importants dans le développement des innovations et dans la prévision de la performance des roulements dans les conditions où la surface joue un rôle majeur.


Coopération de SKF dans le domaine de la tribologie avec les universités
SKF a établi des coopérations à long terme avec certaines des meilleures universités dans le domaine de la tribologie, ce qui est unique dans l'industrie des roulements. Bien que les entreprises de pointe telles que SKF disposent de leur propre service et spécialistes de recherche et développement internes, l'avantage d'une collaboration avec le milieu universitaire est l'accès aux scientifiques et aux ingénieurs de classe mondiale, qui envisagent les solutions à long terme et adoptent des approches différentes, ce qui améliore la créativité globale. Les résultats s'obtiendront au terme d'une période souvent bien plus longue que celle d'un service de recherche interne. Toutefois, maintenir la recherche de pointe en tribologie en interne est essentiel pour pouvoir intégrer la perspective commerciale à la recherche universitaire.

Imperial College
Imperial College London, qui est systématiquement classé parmi les 10 meilleures universités dans le monde, est l'une des universités de pointe dans le domaine technique [2]. Le Département de génie mécanique d'Imperial accueille le centre universitaire technologique SKF (SKF UTC). Le Centre a été fondé en janvier 2010 et ses recherches se concentrent sur l'étude fondamentale des systèmes tribologiques à l'aide de méthodes de modélisation et de mesure de pointe.[3]. Le Professeur Hugh Spikes et le Dr Amir Kadiric [4] dirigent une équipe de plus en plus importante comprenant à l'heure actuelle sept doctorants et deux associés de recherche postdoctoraux. L'établissement de l'UTC à Imperial College a officialisé une longue coopération existante avec SKF de plus de 30 ans, durant laquelle l'ancien directeur technique de SKF, le Prof. Stathis Ioannides a été professeur invité à Imperial College.

SKF UTC représente une partie intégrale du Groupe de tribologie d'Imperial, qui a été fondé il y a plus de 60 ans et est reconnu sur le plan international comme l'un des groupes leaders dans la recherche en tribologie. De nombreuses études innovantes dans la tribologie peuvent être citées parmi ses accomplissements, notamment dans les domaines du pouvoir lubrifiant du diesel, l'application des techniques d'interférométrie optique en tribologie et la modélisation des contacts avec les surfaces rugueuses. La qualité de la recherche du Groupe est reconnue à travers de nombreux prix reçus par ses membres, y compris trois Médailles d'or du Tribology Trust, le prix STLE International et le Prix de recherche d'excellence d'Imperial College, ainsi que plus de 20 prix de meilleurs articles annuels décernés par des revues de pointe sur la Tribologie.

L'objectif de l'équipe UTC d'Imperial College est d'approfondir la compréhension du phénomène tribologique au niveau de l'interface, afin d'améliorer la durabilité des composants et de réduire les pertes dues aux frottements. Ceci est accompli grâce à une combinaison de techniques expérimentales innovantes et de modèles numériques de pointe. Les projets actuels incluent les études de la lubrification élasto-hydrodynamique (EHL) dans les contacts rugueux, la mécanique du contact des surfaces modifiées, la modélisation de la dynamique des fluides (CFD) d'EHL, la performance des additifs lubrifiants, les graisses pour faible frottement, l'influence de la rugosité sur les frottements par contact, l'initiation et la propagation des fissures de surface, les dommages dus au grippage dans les roulements et la lubrification des joints de roulement. 

L'UTC travaille de près avec le propre centre de recherche technique de SKF aux Pays-Bas, afin que les compréhensions fondamentales développées avec l'UTC soient utilisées avec succès par SKF, avec l'objectif ultime de réduire les frottements et l'usure dans les roulements SKF et de prolonger ainsi leur durée de vie et leur performance environnementale.

INSA de Lyon
En France, INSA Lyon est l'un des sites universitaires possédant la plus grande concentration d'expertise et de chercheurs en technologie de pointe, ce qui reflète sa culture et son engagement en matière d'approche pluridisciplinaire envers la recherche. Avec 21 laboratoires employant 500 chercheurs et 650 étudiants doctorants, INSA Lyon est un centre unique de recherche, qui accomplit régulièrement des percées en matière de recherche scientifique, souvent intégrées dans des applications innovantes par ses partenaires industriels.

Le Laboratoire LaMCoS (INSA Lyon, CNRS UMR5259) est un laboratoire pluri-disciplinaire travaillant dans le domaine de la mécanique des contacts et de la dynamique des structures. Il fournit un large éventail de compétences en tribologie, dynamiques rapides, mécanique des vibrations, commandes, systèmes de transmission, machines tournantes et formation de matériaux. L'objectif scientifique global du laboratoire est de mener des recherche sur la compréhension et le contrôle des comportements des systèmes et structures mécaniques, tout en prenant en compte leurs interfaces.

La coopération dans le domaine de la recherche en tribologie entre l'INSA de Lyon et SKF s'est mise en place il y a plus de 20 ans, lorsqu'est née l'idée de développer une machine pour tester les grands contacts tournants. Cette machine est désormais une réalité ; elle est nommée Tribogyr [5] et elle fournit déjà de nouveaux aperçus dans le comportement du frottement dans les éléments roulants, ce qui est important pour répondre aux tendances commerciales exigeant une densité de puissance plus élevée et une réduction du frottement dans les roulements. En outre, le chercheur Guillermo Morales Espejel du centre de recherche technique de SKF (ERC) est professeur invité à l'INSA de Lyon (LaMCoS) depuis 2004.

Depuis peu, SKF et l'INSA de Lyon ont renforcé davantage leur coopération en établissant une Chaire dédiée à l'étude des interfaces lubrifiées à l'INSA de Lyon [6]. L'objectif de cette chaire de six ans est de mener une étude en amont, pluridisciplinaire couvrant l'identification, la compréhension et la modélisation du comportement des lubrifiants en conditions extrêmes imposées par les interfaces lubrifiées. Dans le domaine de l'aéronautique en particulier, les lubrifiants (souvent des fluides complexes en raison de leur nature et de leur composition) jouent un rôle crucial dans la réduction des pertes de frottement, de l'usure et du risque de dommage. L'un des objectifs de la chaire est d'anticiper les développements futurs dictés par les contraintes économiques, sociales et environnementales.

Les sujets traités se concentreront en particulier sur :
- Les fluides lubrifiants : De la rhéologie à la lubrification,
- Les lubrifiants et fluides complexes : Des mécanismes moléculaires à la lubrification,
- Les écoulements de surface libres dans la lubrification, interactions fluide/solide.

Outre la recherche, la chaire a pour objectif d'attirer de jeunes chercheurs et étudiants vers SKF par l'intermédiaire de programmes d'apprentissage et/ou de cours projets de recherche dans les différents emplacements de SKF France ou du SKF ERC.


Université de Twente
SKF collabore également depuis longtemps dans le domaine de la tribologie avec les départements de tribologie et de la mécanique des fluides de l'Université de Twente aux Pays-Bas. Le chercheur de l'ERC, Piet M. Lugt, est un professeur, spécialiste de la maintenance basée sur la tribologie, invité au département de tribologie de l'Université de Twente et le Dr. C.H. Venner du département de la mécanique des fluides est un scientifique invité au SKF ERC.

Le poste de professeur invité sur le sujet « Maintenance basée sur la tribologie » (Maintenance prédictive) étudie les sujets suivants :

1. Modèles de fiabilité des systèmes de roulement
2. Intervalles de relubrification
3. Rhéologie de la graisse

Le travail du Dr. Venner au sein de l'ERC se penche sur les nouvelles techniques de modélisation pour les interactions fluide-solide et se concentre directement sur le développement à long terme de nouveaux outils de prédiction.

Références

1. Jost, H. P. (ed.) 1966 Lubrication—tribology. Education and research. A report. Londres : HMSO.
2. http://www.topuniversities.com/university-rankings/world-university-rankings/2012
3. Cooperation for Creative Changes, SKF Evolution, 2011, n° 1. http://evolution.skf.com/cooperation-for-creative-changes/
4. Slick Research, SKF Evolution, 2013, No. 2 http://evolution.skf.com/slick-research/
5. The Beast of Lyon – Putting Large Bearing Contacts to the Test, SKF Evolution, 2012, No. 1 http://evolution.skf.com/the-beast-of-lyon-%E2%80%93-putting-large-bearing-contacts-to-the-test/
6. SKF Chair Presentation (INSA de Lyon). http://fondation.insalyon.fr/news/enewsletter3/download/SKF_CHAIR_PRESENTATION.pdf

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