Transient effects of squeeze and starvation in an EHL contact under forced oscillation: On the film-forming capability

This study provides a new insight on the EHL regime in time-varying conditions. A full-analytical resolution of the Reynolds equation was proposed considering forced oscillations. Confronted to experimental validation, the analytical film thickness equations provide perfect modeling of the film forming mechanisms: squeeze induced by the transient evolution of the film thickness with time, asymmetry and hysteresis in the film distribution resulting from the change in direction and the transport effect. Furthermore, the analytical equations combined with a modulation of the inlet flow give an accurate prediction of the effects induced by the starvation resulting from the change in direction, i.e. as the original outlet zone becomes the next inlet zone

Tribologie d'une interface lubrifiée soumise à du glissement oscillant : vers une courbe de frottement généralisée ?

Les lois de frottement sont le plus souvent identifiées pour des conditions de roulement/glissement entre les surfaces établies, alors que les articulations des êtres vivants ou de nombreux systèmes mécaniques présentent des pertes par frottement et usure dans des contacts soumis à une vitesse de glissement oscillante. On analyse la réponse en frottement d’un contact ponctuel lubrifié soumis à un glissement oscillant en fonction de la pression de contact et la rhéologie, pour une large gamme de lubrifiants isovisqueux et piézovisqueux. Le tribomètre dynamique oscillant et la méthodologie mise en œuvre permettent de discriminer la composante du frottement indépendante de la vitesse de glissement et celle dépendant de la vitesse de glissement instantanée. Pour les conditions tribologiques explorées dans ce travail, les expériences montrent que ces deux contributions participent à la dissipation dans l’interface. La contribution visqueuse correspond essentiellement à la dissipation dans le ménisque entourant le contact, tandis que la dissipation générée dans l’interface confinée correspond essentiellement à une contribution indépendante de la vitesse de glissement instantanée. Le coefficient de frottement indépendant de la vitesse de glissement suit une courbe maîtresse qui décrit le comportement de l’interface pour tous les lubrifiants et les conditions expérimentales considérés. Il évolue selon une fonction logarithmique d’un paramètre adimensionné relié à la viscosité du lubrifiant confiné, la pression de contact moyenne et un temps caractéristique qui peut être associé au taux de cisaillement moyen rencontré par l’interface. Finalement, une analyse des résultats à partir du nombre de Déborah, qui compare le temps de relaxation du lubrifiant à son temps de passage dans l’interface, confirme la prépondérance de la dissipation associée à une réponse élastique de l'interface, par rapport à la dissipation associée à une réponse visqueuse

Lubrification des contacts sous-alimentés (apport de la micro-texturation de surface)

L appauvrissement en lubrifiant d un contact élasto-hydrodynamique peut menacer la pérennité du film interfacial séparant les surfaces, entraîner l augmentation des forces de frottement et l endommagement rapide du tribosystème. Industriellement, la volonté de réduire les quantités de lubrifiant embarquées et de limiter les opérations de maintenance favorisent la sous-alimentation. L objectif de cette thèse est de contrôler l alimentation d un contact EHD sous-alimenté par une texturation de surface multi-échelle, afin d assurer une lubrification minimale à l interface. Une démarche scientifique s appuyant sur la dissociation des échelles spatiales, temporelles ainsi que sur l analyse des contributions des écoulements dans les différentes zones du contact a été mise en oeuvre. La compréhension de l interaction laser/matière en irradiation ultra-brève a permis de générer des texturations nanométriques (ripples) et micrométriques (ondulations et réseaux de cavités) à l aide d un laser femtoseconde. La contribution de chaque échelle topographique sur la lubrification d un contact a été étudiée. Lorsque les forces hydrodynamiques sont faibles (contact statique), l alimentation d un contact résulte d une compétition entre une contribution capillaire et une contribution visqueuse. La macro géométrie des solides déformés ainsi que la viscosité pilotent au premier ordre la propagation du lubrifiant à l extérieur de la zone haute pression. L imbibition de la zone de Hertz n est possible qu avec l introduction d une surface nanotexturée et sa cinétique dépend de l orientation et de l amplitude des ripples. Pour des nombres capillaires élevés (contact dynamique), un critère de prédiction de l apparition de la sous-alimentation a été établi. En présence de réseaux de cavités et sous l action d un cisaillement interfacial, les surfaces texturées possédant une capacité de rétention élevée réalimentent la zone de haute pression. Le volume piégé envahit alors le contact puis crée une surépaisseur de lubrifiant qui protège les solides de l endommagement tout en limitant l augmentation du frottement. Les texturations nanométriques (ripples) et micrométriques, anisotropes et périodiques, modifient l équilibre entre les débits de réalimentation et les débits de fuite. Une orientation adaptée des motifs peut contenir le drainage du lubrifiant dans le contact et ainsi empêcher ou retarder l apparition d un régime de sous-alimentation totale. Au final, chaque échelle topographique contribue à la réalimentation d un contact sousalimenté, soit en favorisant l expansion des réservoirs latéraux, soit en apportant localement du lubrifiant, ou en maintenant un film fluide résiduel sur les surfaces.The lubricant depletion of an elasto-hydrodynamic contact may threaten the sustainability of the interfacial film separating the surfaces, can result in the increase of frictional forces and a rapid damage of the tribosystem. Industrially, the trend to reduce the amount of initial lubricant and to limit maintenance promotes starvation of the lubricated contact. The aim of this work is to control the lubricant feeding of a starved EHL contact by a multi-scale surface texturing, in order to ensure minimal lubrication at the interface. A scientific approach based on the separation of spatial and temporal scales, as well as the analysis of the flow contributions in different zones of the contact has been implemented.The understanding of the laser/matter interaction in ultra-short irradation has helped us to generate both nanoscale texturing (ripples) and microscale texturing such as microwaves and networks of micrometric cavities, using a femtosecond laser. The contribution of each topographic scale on the contact lubrication has been analysed. When the hydrodynamic forces are low (static contact), the feeding of the contact results from a competition between capillary and viscous contributions. The macro geometry of the deformed solids and the lubricant viscosity mainly control the lubricant spread around the high-pressure zone. The imbibition of the Hertz contact area is only possible with the introduction of a nanotextured surface. The imbibition kinetics depends on the orientation and amplitude of the ripples. For high capillary numbers (dynamic contact), a criterion has been established in order to predict the occurrence of starvation. Using a network of micro cavities and the action of an interfacial shear, the high retention capacity textured surfaces brings lubricant to the high-pressure zone. The trapped volume propagates inside the contact and creates a film thickness that protects the solids from damages while limiting the increase in friction. Anisotropic and periodic nanoscale and microscale texturing, like ripples, influences the balance between re-feeding and leakage flow rates. A suitable orientation of the geometries may prevent the lubricant from drainage and thus delay the onset of a starved lubrication regime. In conclusion, each topographic scale contributes to re-feed a starved contact, by promoting lateral reservoir extension, by providing lubricant locally where it is needed, or maintaining a residual fluid film on surfaces.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Relating stochastic roughness to friction in lubricated contacts

The aim of our work is to understand the role of surface topography on the friction force for lubricated contacts. Since the friction force varies with different lubrication regimes (elastohydrodynamic, mixed, boundary), we focus on the way roughness shifts the transitions between these regimes, in terms of speed and load

Comportement vibratoire d'un système avec une interface lubrifiée frottante

La dynamique locale d'une interface lubrifiée présente des complexités qui dépendent de la structure moléculaire du film confiné. Dans un système mécanique comportant une ou plusieurs interfaces lubrifiées, l'influence de ce comportement local sur la dynamique globale reste largement méconnue. Dans ce travail, nous poursuivrons une démarche de simulation numérique intégrant des lois de frottement locales, données expérimentalement. L'objectif est d'étudier la complexité des comportements vibratoires globaux pouvant être observés par cette prise en compte du comportement local à l'interface

Modèle géométrique de frottement entre matériaux composites

Dans cette étude, on propose un modèle géométrique de frottement sous faible charge normale entre deux matériaux composites. Le contact est présenté comme une multitude de microcontacts dont la nature peut être de trois types : fibre-fibre, fibre-matrice ou matrice-matrice. La force de frottement interfaciale est la somme des forces locales de frottement en ces microcontacts. Le calcul montre que le coefficient de frottement hybride ne dépend pas de l'orientation de fibres mais seulement de leur fraction surfacique. Ce modèle est testé expérimentalement

From molecular to multi-asperity contacts: how roughness bridges the friction scale gap

While friction stems from the fundamental interactions between atoms at a contact interface, its best descriptions at the macroscopic scale remain phenomenological. The so called "rate-and-state" models, which specify the friction response in terms of the relative sliding velocity and the "age" of the contact interface, fail to uncover the nano-scale mechanisms governing the macro-scale response, while models of friction at the atomic scale often overlook how roughness can alter the friction behavior. Here we bridge this gap between nano and macro descriptions of friction by correlating the physical origin of macroscopic friction to the existence, due to nanometric roughness, of contact junctions between adsorbed monolayers. Their dynamics, as we show, emerges from molecular motion. Through coupled experimental and atomic simulations, we highlight that transient friction overshoots its steady-state value after the system is allowed to rest, with the friction force decaying to a steady-state value over a distance of a few nanometers, much smaller than the junction size, even with a root-mean-square roughness of 0.6 nm. We demonstrate how this transient decay is intrinsically related to the evolution of the number of cross-surface attractive physical links between adsorbed molecules on rough surfaces. We also show that roughness is a sufficient condition for the appearance of frictional aging. In systems that show structural aging, this paints contact junctions as a key component in the observation of the transient friction overshoot, and shows how infrajunction molecular motion can control the macroscopic response

Mécanismes d'usure de polymères orientés (Application à l'abrasion des fibres de polyamide)

La résistance à l'abrasion des fibres est une propriété d'usage fondamentale dans de nombreuses applications techniques de surfaces textiles. Cette étude s'intéresse donc aux mécanismes d'usure des fibres. Une caractérisation mécanique et structurale met en évidence l'hétérogénéité et la forte anisotropie de la structure microfibrillaire. Un tribomètre simulant l'abrasion des fibres dans des conditions maîtrisées, a été développé. Une équivalence des mécanismes d'usure et de rupture des fibres est observée, indépendamment de la nature de la fibre et des conditions de sollicitation. Des expériences de nanofrottement soulignent le rôle des fluctuations de vitesses locales sur le frottement et la présence de cisaillement dans une zone interfaciale située entre la pointe et la fibre. Un mécanisme lélémentaire d'usure est alors proposé. Enfin, l'étude des relations usure/structure/propriétés mécaniques conduit à établir une loi d'évolution de l'usure.The abrasion resistance of fibres is a basic property in the textile industry. The goal of this study is to investigate the wear mechanisms of fibres. A mechanical and structural characterization enables to underline the heterogeneity and the strong anisotropy of the microfibrillar structure. A tribometer simulating the fibre abrasive wear under controlled conditions has been developed. An equivalence of the wear macromechanisms has been found independently of the experimental conditions or the fibre molecular weight. Nanofriction experiments point out the role of local speed fluctuations on friction and the influence of shear stress in an interfacial zone between the indentor and the fibre. Based on the synthesis of the tribological experiments, a wear micromechanism has been proposed. Relations between wear, structure and mechanical properties have been studied which leads us to establish a wear law.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Friction setup and real-time insights of the contact under controlled cold environment: The KŌRI tribometer for rubber-ice contact application

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