La plupart des montres mécaniques sont composées d’un échappement à ancre Suisse. Cet organe se situe à la fin du rouage et sert à entretenir et à compter les oscillations du balancier-spiral. Par l’intermédiaire de l’interface ancre / roue d’échappement, il est soumis à des sollicitations parfois extrêmes induisant un rendement faible, d’environ 35%. En outre, le maintien du lubrifiant au contact est délicat et les frottements occasionnés peuvent provoquer une usure prématurée des éléments du système. La première partie de ce travail a consisté au développement d’une démarche d’investigation et de compréhension du fonctionnement du contact entre l’ancre et la roue d’échappement par l’intermédiaire des concepts du triplet et du circuit tribologique. Une visualisation en temps réel du contact, par caméra rapide, a ainsi permis d’obtenir l’évolution de la vitesse réelle des corps en contact. Parallèlement, l’analyse des composants à différents instants de fonctionnement ont conduit à la détermination des débits de 1er et 3ème corps. Par ailleurs, afin de mieux comprendre le comportement tribologique local du contact, un modèle dynamique par éléments finis de l’échappement à ancre Suisse a été développé. A la suite de cette étude, un scénario relatif à la vie du contact a été proposé afin de décrire les différentes phases de fonctionnement de l’échappement. Malgré le rôle clé de la couche de 3ème corps formée pendant le vieillissement par l’activation du débit source, elle génère un débit d’usure qui peut être néfaste pour le mécanisme de montre. Ce résultat amène, par conséquent, à la nécessité de formuler et de réaliser un troisième corps « optimisé ». Dans une seconde partie, une optimisation du comportement de ce 3ème corps a donc été recherchée afin d’atteindre (à terme) une fiabilité à 10 ans et une usure contrôlée. Pour ce faire, deux technologies de lubrification du contact, i.e. fluide et solide, ont été utilisées. La lubrification fluide a été améliorée par texturation des surfaces. La puissance et le nombre de tirs laser ont ainsi été fixés afin de respecter les formes et dimensions des textures imaginées pour le triplet tribologique étudié. Afin de s’affranchir de l’assèchement en lubrifiant fluide du contact au cours du temps, une lubrification solide a été introduite par imprégnation de solides lamellaires et dépôt d’un revêtement « dur » sur la roue d’échappement. Grâce au circuit tribologique et par l’intermédiaire de la création d’un débit source initial et d’un débit d’usure faible, une première optimisation de la couche de 3ème corps formée a été intuité. Une meilleure compréhension du contact entre l’ancre et la roue d’échappement a été apportée. Cette compréhension a permis de passer d’une démarche essais / erreurs existante à une démarche scientifique de proposition de solutions pour l’optimisation du triple / Most of mechanical watches are composed of a Swiss lever escapement. This mechanism is located at the end of the gear train and consist in counting and maintaining the oscillations of the balance wheel. It is subject to extreme solicitations, mostly located at the interface anchor / escapement wheel, inducing a low yield of about 35%. Besides, the difficulty of keeping lubricant within the contact can create wear and induce harmful consequences for the system. The first part of this work involved developing an investigation and understanding approach of the contact between the anchor and the escapement wheel through the concepts of Tribological triplet and circuit. A real-time visualization of the contact, through high-speed camera, succeeded in obtaining the evolution of the real speed of contact bodies. At the same time, components’ observations at different operating times resulted in the evaluation of 1st and 3rd bodies’ flows. Furthermore, in order to understand the local tribological behavior of the contact, a dynamic finite element model of the Swiss lever escapement was developed. Following this study, a scenario of the contact life was proposed in order to outline the different phases of the functioning of the escapement. Despite the key role of the 3rd body layer formed during aging by activating the source flow, it generates a wear rate that can be harmful to the watch mechanism. Therefore, it is necessary to formulate and realize an “optimized” third body. In a second part, an optimization of this 3rd body’s behavior was sought in order to reach a 10-years’ reliability and a stabilized wear. To do this, two lubrication technologies of the contact, i.e. fluid and solid, were used. Fluid lubrication has been improved by surface texturing. The power and the number of laser pulses were determined in order to respect the shapes and dimensions of the textures designed for the studied tribological triplet. To overcome the drying up of lubricant along time, the solid lubrication was investigated by impregnation of lamellar solids and deposition of a “hard” coating on the escapement wheel. Thanks to the Tribological circuit and through the creation of an initial source flow and a low wear flow, a first optimization of the 3rd body’s layer formed has been assumed. A better understanding of the contact between the anchor and the escapement wheel has been provide. This understanding made it possible to go from an existing trial / error approach to a scientific approach for the optimization of the Tribological triplet. A stabilization of the wear and an optimized’s third body were obtained by impregnating a MoS2 solid lubricant on the escapement wheel.t. Une stabilisation de l’usure et un troisième corps « optimisé » ont ainsi été obtenus.

L’étude du frottement dans les contacts lubrifiés fortement chargés est un sujet complexe. En effet, le frottement dépend fortement du comportement rhéologique du lubrifiant dans le centre du contact et, celui-ci n'est pas bien connu à pression et taux de cisaillement élevé. Diverses méthodes expérimentales ont été développées pour expliquer le comportement plateau dans les courbes de frottement, associé à l’existence d’une contrainte limite de cisaillement, mais aucune d'elles n'a fourni une image complète des mécanismes réels impliqués. Dans la continuité de ces efforts, des études sont présentées dans ce mémoire. Le premier défi dans ce travail est d'effectuer des mesures de frottement dans des conditions isothermes nominales, ce qui signifie que même si des effets thermiques doivent se produire dans toute mesure de frottement, il est possible de les minimiser et de rendre les résultats insensibles à une faible dissipation d'énergie dans le volume expérimental d'intérêt. La minimisation de l’échauffement du lubrifiant aide à se focaliser sur l’origine mécanique de la contrainte limite de cisaillement et de mieux caractériser sa dépendance à la pression et à la température. C'est pourquoi, tout d'abord, une série d'expériences a été réalisée sur deux lubrifiants, un diester pur (benzyl benzoate) et une huile minérale de turbine (Shell T9) avec des vitesses d'entraînement variables. Cela nous permet d'abord d'observer directement l'influence des effets thermiques sur les valeurs de la contrainte limite de cisaillement et ensuite, de déterminer les conditions expérimentales qui limitent ces effets tout en assurant un régime en film complet. Le deuxième objectif est de caractériser le comportement en frottement des lubrifiants sous conditions isothermes nominales et sur une large gamme de pression (jusqu'à 3 GPa) et de température (jusqu’à 80°C) afin d'établir un nouveau modèle découplé permettant de décrire la dépendance à la température et à la pression de la contrainte limite sous fortes charges. Enfin, l'étude se focalise sur la compréhension du comportement microscopique des lubrifiants dans des conditions extrêmes de cisaillement et de pression. Des mesures in situ de spectroscopie Raman et Brillouin ont été également effectuées sous conditions statiques, afin d'étudier le changement de phase du lubrifiant. / Friction in highly loaded lubricated contacts is a complex issue. Indeed, it highly depends on the lubricant rheological behaviour in the Hertzian region, which is not well known under such high pressure and high shear stress. Various experimental methods have been developed to explain the plateau-like behaviour in friction curves referred to as the limiting shear stress (LSS), but none of them provided a full picture of the real mechanisms involved. In a continuation of these efforts, some investigations are presented in this manuscript. The first challenge in this work is to carry out friction measurements under nominal isothermal conditions, meaning that even if thermal effects must occur in any friction measurement, it is possible to minimize them and to make the results almost insensitive to a weak energy dissipation within the experimental volume of interest. Minimizing shear heating of the lubricant help us to focus on the mechanical origin of the LSS and to better characterize its dependence to pressure and temperature. That’s why, first of all, a series of experiments was performed on two lubricants, a pure diester fluid (benzyl benzoate), and a commercial turbine mineral oil (Shell T9) with varying entrainment velocities. This allow us first to directly observe the influence of the lubricant shear heating on the LSS values and then to determine the experimental conditions which limit this thermal effect while ensuring a full film regime. The second objective is to characterize the frictional behavior of both lubricants under nominal isothermal conditions and over a wide range of pressure (up to 3 GPa) and temperature (up to 80°C) in order to establish a new uncoupled model to describe the temperature and pressure dependence of the limiting shear stress under highly loaded conditions. Finally, the study focuses on the understanding of the microscopic behavior of lubricants under extreme shear and pressure conditions. In situ Raman and Brillouin spectroscopy investigations were also conducted under static conditions, in order to study the lubricant phase changes under various pressure and temperature conditions.

Une lubrification suffisante est essentielle au bon fonctionnement des mécanismes et/ou composants comme par exemple les paliers à roulement. Par contre, les lubrifiants contiennent souvent des débris d’usure ou des polluants extérieurs. Ces particules micrométriques peuvent pénétrer des contacts d’épaisseur inférieure au micromètre induisant des empruntes ou indents pouvant conduire à des endommagements irréversibles pour les surfaces en contact. L’objet de ce travail est l’étude du piégeage de polluants solides à l’aide de particules sphériques d’acier, d’un point de vue théorique, numérique et expérimental. Dans un premier temps, une étude phénoménologique a été proposée à l’aide d’une nouvelle méthode expérimentale basée sur la technique PIV combinée à un tribomètre bille/disque. Les trajectoires des polluants à l’entrée du contact ont pu ainsi être identifiées. En parallèle, un modèle numérique d’écoulement du lubrifiant a été développé pour permettre l’évaluation des conditions menant au piégeage ou non de particules. Finalement, des expériences sur une machine bi-disques en conditions de lubrification polluée contrôlée ont permis de valider les tendances observées pour le piégeage. Une première série de résultats a montré que le piégeage de contaminants est fortement dépendant du profil de vitesse du lubrifiant. Un taux de piégeage très hétérogène a été observé sur des contacts avec une ellipticité transverse à l’écoulement variable. De manière surprenante, malgré une augmentation de la largeur de contact, une forte diminution du nombre de particules piégées a été observée dans des contacts elliptiques. Il a été démontré que cette diminution pouvait être imputée à la présence d’importants reflux de lubrifiant dans les contacts elliptiques larges. L’étude de contacts hybrides, nitrure de silicium–acier, a montré une bonne résistance à l’indentation du nitrure de silicium. Il est à noter que les contacts hybrides présentent des niveaux de piégeage similaire à un contact tout acier. / Contact lubrication is essential in a wide range of mechanical systems like rolling element bearings (REBs). A minimum quantity of clean lubricant all along the bearing life is necessary but difficult to ensure. In fact, lubricants contain inevitably wear debris or external particles, like dust. Carried by the lubricant in the vicinity of elastohydrodynamic (EHD) contacts, particles can be entrapped with disastrous consequences for contacting surfaces. Entrapment of micrometric particles in submicrometric contacting gaps means irreversible damages for the surfaces. Damages weaken the surfaces and reduce significantly the REBs lifetime. The goal of this work is to analyze the critical particle entrainments in the contact inlet. Entrapment of steel spherical particles was investigated from the numerical and experimental point of view. Firstly, the phenomenology of entrapment was explored with a new experimental method based on Particle Image Velocimetry (PIV) technique installed on a tribometer. It enabled the evaluation of velocity profiles in the contact inlet and the tracking of particles within EHD contacts. Secondly, a numerical modelling of the inlet flow for EHD contacts, including the particle tracking, was developed. Finally, tests on a twin-disc machine with a controlled level of well-defined contamination were conducted to validate previous conclusions. A first set of results showed that particle entrapment is highly dependent on the lubricant velocity profile. Depending on contact geometry, from point to wide elliptical contacts, different entrapment probability were revealed. Surprisingly, increasing contact width with wide elliptical contacts leads to a drop of entrapped particles. It was demonstrated that this phenomenon is due to backflows occurring upstream from these contacts. Introducing a hybrid pair of contacting materials (silicon nitride–steel), dents on the surfaces due to entrapped particles were explored. It has been confirmed that silicon nitride surface offers a real ability to resist to indentation. It was also noticed that the entrapment probability for silicon nitride–steel contacts is equivalent to a steel–steel one.