Tribologie: usure, frottement et bruit

Réactualisé le 05/02/2001.
Textes et photos de Georges.

La tribologie est le domaine de la science et de la technologie qui concerne l'interaction de surfaces en mouvement relatif. L'usure et le frottement ne sont pas des propriétés des matériaux mais des propriétés d'un système tribologique. La tribologie peut donc être très utile en modélisme auto, particulièrement en électrique, où le rendement des organes de transmission (engrenages, cardans, roulements...) tient un aspect primordial.

L'usure

L'usure est la perte progressive de matériau due à l'interaction de surfaces en mouvement relatif (l'une par rapport à l'autre). Elle est mesurée par le taux d'usure spécifique Ws (la perte de volume par distance de glissement et charge, unité: 10-6 mm3/Nm) d'un matériau. De nombreux phénomènes indépendants particpent à l'usure d'un matériau:

  • usure par abrasion: "coupure" provoquée par des irrégularités dures sur la contre-surface.
  • usure par fatigue: rupture du matériau due à des contraintes répétées exercée par des irrégularités dures sur la contre-surface.
  • usure par adhérence: perte de matériau par transmission et adhérence à la contre-surface.

Le frottement

Le frottement est la mesure de la résistance au mouvement (qui constitue une perte d'énergie) de deux surfaces en contact. Il est mesuré par le coefficient de frottement µ. On distingue le coefficient de frottement statique et le coefficient de frottement dynamique.

Coefficient de frottement µ = Force de frottement F / Charge appliquée N (à une vitesse de glissement donnée).

Le coefficient de frottement est donc fonction de la zone de contact réelle entre les deux surfaces ainsi que la nature et la force de l'interaction, qui peut être définie de la façon suivante:

  • adhérence.
  • formation de rainures.
  • déformation.

Le coefficient de frottement entre des surfaces augmente (normalement) à mesure que la température s'élève et que la charge diminue. La perte d'énergie dans le phénomène de frottement peut entraîner une élévation de la température, l'émission de bruit et/ou la déformation de la zone de contact. Dans la plupart des cas, un faible coefficient de frottement se traduit par un taux d'usure moindre.

Substance

Sur substance

Coefficient de
frottement µ
(sec)

Coefficient de
frottement µ
(mouillé)

Coefficient de
frottement µ
(graissé)

Bronze

Bronze

0.20

0.10

0.06

Bronze

Fonte

0.18

 

0.08

Bronze

Acier

0.18

 

0.07

Fonte

Fonte

 

0.31

0.10

Fonte

Acier

0.17-0.24

 

0.02-0.05

Caoutchouc

Asphalte

0.50

0.30

0.20

Caoutchouc

Béton

0.60

0.50

0.30

Acier

Acier

0.10-0.30

0.02-0.08

0.15-0.30

Acier

PE-W (polyéthylène avec plastiqueur)

0.40-0.50

 

 

Acier

PTFE (polytétrafluoroéthylène, "teflon®")

0.03-0.05

 

 

Acier

PA66 (polyamide)

0.30-0.50

 

0.10

Acier

POM (polyoxyméthylène)

0.35-0.45

 

 

PE-W (polyéthylène avec plastiqueur)

PE-W (polyéthylène avec plastiqueur)

0.50-0.70

 

 

PTFE (polytétrafluoroéthylène, "teflon®")

PTFE (polytétrafluoroéthylène, "teflon®")

0.035-0.055

 

 

POM (polyoxyméthylène)

POM (polyoxyméthylène)

0.40-0.50

 

 

Le bruit

Dans de nombreuses applications où une pièce glisse, le bruit émis est indésirable et doit être réduit. Le bruit étant une notion difficile à définir, il est important d'en distinguer deux types:

  • Le bruit mécanique, qui n'est pas lié aux frottements, mais aux chocs qui se produisent entre les pièces en mouvement. Toutefois, dans le cas de mouvements à fréquence élevée, ce type de bruit peut ressembler à un grincement. Une meilleure conception (cas des engrenages, par exemple) permet souvent de le réduire. L'autre solution consiste à utiliser des matériaux plus souples dotés d'un meilleur pouvoir d'amortissement.
  • Le grincement, qui est dû au frottement et lié au coefficient de frottement. En règle générale, on peut affirmer que si le coefficient de frottement dynamique est plus élevé que le coefficient de frottement statique, le mouvement entre les deux surfaces peut être discontinu (effet de broutement, autrement appellé stick-slip). Le bruit est perçu comme un grincement lorsque ce phénomène se produit à une fréquence élevée.

Bibliographie:

  • Le Delrin® et la Tribologie, information technique de Dupont de Nemours.
  • Formulaire Technique GIECK