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

Abstract

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