A eficiência dos sistemas mecânicos é influenciada diretamente pelo coeficiente de atrito local, sendo este relacionado com os regimes de lubrificação. O coeficiente de atrito pode ser estudado usando o método de elementos finitos (MEF) com a finalidade de substituir ensaios experimentais e reduzir tempo de análise. Esta dissertação teve como objetivo desenvolver uma metodologia para avaliar o coeficiente de atrito em um par tribológico e seu efeito na eficiência por simulação numérica. Para esta modelagem foi definido um sistema composto por um par de engrenagens helicoidais. Em uma primeira análise, foi empregado o programa AVL Excite Power Unit, que utiliza a ferramenta MBD (Multi-Body Dynamic - Dinâmica de Multi-Corpos), possibilitando a simulação da transmissão com seus principais elementos em um modelo 1D, que leva em consideração a teoria da lubrificação elastohidrodinâmica (EHL). Também foi utilizado o programa Abaqus®, da Dassault Systèmes, para a criação de um modelo 3D, que considera o par engrenado e sendo necessário o desenvolvimento de uma subrotina para a aplicação do modelo de lubrificação da literatura. Em todas as simulações foram considerados condições de operação de um banco de provas e três diferentes acabamentos superficiais dos dentes das engrenagens em função do processo de fabricação: fresamento, retificação e polimento. Além da rugosidade, avaliou-se o efeito da velocidade angular nas perdas do sistema. O modelo 3D foi comparado com o modelo 1D e com resultados de eficiência de ensaios de banco de prova. O modelo 3D permitiu avaliar o coeficiente de atrito local na linha de contato do dente engrenado. Maiores velocidades angulares aumentaram a espessura de específica de filme, diminuindo assim o coeficiente de atrito e promovendo uma melhoria na eficiência do sistema. Os menores valores de coeficiente de atrito estão na região do diâmetro primitivo, onde o SRR é nulo. A velocidade angular influenciou mais do que a rugosidade. As análises dos modelos 1D e 3D indicaram que o modelo 1D superestima a eficiência da transmissão, enquanto que o modelo 3D apresentou resultados compatíveis com o banco de provas. / The efficiency of mechanical systems is influenced directly by the local friction coefficient, which is related to the lubrication regimes. The coefficient of friction can be studied using the finite element method (FEM) to replace experimental tests and reduce analysis time. This dissertation had the objective to develop a methodology to evaluate the coefficient of friction in a tribological pair and the effect on the efficiency by numerical simulation. In this model, a system composed of a pair of helical gears was defined. In a first analysis, the AVL Excite Power Unit software was used, which uses the tool MBD (Multi-Body Dynamic), enabling the simulation of the transmission with the main elements in a 1D model, which takes into account the theory of elastohydrodynamic lubrication (EHL). The Abaqus® software was used to create a 3D model, which considers the pair of helical gear and a developed subroutine for application of the literature lubrication model. In all simulations, the conditions of operation of a rig tests and three different surface finishes of the gear teeth were considered, depending on the manufacturing process: milling, grinding and polishing. Besides the roughness, the effect of angular velocity on the losses of the system was evaluated. The 3D model was compared with the 1D model and with the results of rig tests efficiency. The 3D model allowed to evaluate the coefficient of local friction in the contact line of the tooth. Higher angular velocities increased the film specific thickness, thus reducing the coefficient of friction and promoting an improvement in the efficiency of the system. The lowest values of coefficient of friction are in the region of the primitive diameter, there the SRR is zero. The angular velocity influenced more than the roughness. The analyzes of the 1D and 3D models indicated that the 1D model overestimates the transmission efficiency, while the 3D model presented results compatible with the rig tests.

La plupart des systèmes mécaniques contiennent des contacts lubrifiés (articulations, roulements, ...) qui sont soumis à des efforts importants. Dans ce travail expérimental, on s’intéresse à l’influence de la rugosité sur la friction dans les régimes de lubrification élastohydrodynamique (EHD), mixte, et limite dans des conditions représentatives des contacts dans un moteur de voiture. Les surfaces utilisées dans ce travail sont principalement des aciers usinés industriellement, revêtus ou non de Diamond-Like Carbon (DLC). La force de friction dans les régimes mixte et limite étant bien plus importante qu’en régime EHD, il est important de pouvoir prédire les transitions d’un régime à l’autre. Le problème est que la rugosité affecte significativement les vitesses de transition entre ces régimes, de telle manière qu’il est difficile de prédire le régime de fonctionnement d’un couple donné de surfaces. Les travaux expérimentaux s’attardant sur ce problème sont rares, et les tentatives théoriques d’inclure l’effet de rugosités aléatoires reposent sur des paramètres difficiles à mesurer à cause de leur grande dépendance vis-à-vis des conditions de filtrage, d’échantillonnage, et de leur non-stationnarité. à partir de nombreuses mesures topograhiques (interférométrie et AFM), une méthode assurant la représentativité des paramètres statistiques de rugosité est donc d’abord mise en œuvre pour caractériser des surfaces dont la rugosité va du nanomètre au micron. Des expériences de Stribeck sont ensuite menées avec ces surfaces afin de corréler leur signature morphologique à leur comportement en friction. La rhéologie sous pression de lubrifiants (poly-α oléfines) est mesurée dans un contact lisse en fonction de la pression et de la température, ce qui permet de prédire quantitativement la friction en régime élastohydrodynamique pour tout couple de surfaces, mais aussi de définir un critère non phénoménologique d’entrée en régime de lubrification mixte. à haute vitesse d’entraînement, la contrainte visqueuse décroît avec le taux de cisaillement ce qui est traditionnellement attribué à un échauffement du lubrifiant. On montre que les effets thermiques ne peuvent expliquer une telle chute et on l’explique par l’étalement du profil de pression dans le convergent, phénomène significatif quand l’épaisseur de lubrifiant devient de l’ordre d’un dixième de la taille du contact. Les résultats montrent que le produit de la viscosité dans le convergent avec la vitesse d’entraînement à la transition mixte-EHD suit une loi de puissance super-linéaire avec la rugosité, tous matériaux confondus, ce qui permet de prédire cette transition en fonction de la rugosité. La transition entre régimes mixte et limite est plus complexe et laisse apparaître un comportement clairement différent entre les contacts DLC/DLC et les contacts mettant en jeu au moins une surface d’acier. Pour les contacts DLC/DLC, la friction en régime limite correspond au cisaillement plastique du lubrifiant, ce qui explique que la rugosité n’affecte pas le frottement limite de ces contacts. Le frottement des contacts acier/acier et acier/DLC est plus important et présente deux évolutions monotones avec la rugosité composite du contact, que nous interprétons grâce à des expériences tribologiques à haut taux de glissement. Finalement, un modèle de portance mixte basé sur la théorie de Greenwood-Williamson est mis en œuvre et permet de reproduire avec une précision honorable les courbes de Stribeck obtenues expérimentalement. En particulier, ce modèle permet de déterminer les conditions d’échantillonnage optimales pour déterminer les propriétés des aspérités. / Most mechanical systems include lubricated contacts submitted to important strengths. The present work deals with the influence of surface roughness on friction in the elastohydrodynamic (EHD), mixed and boundary lubrication regimes, with operating conditions that are typically those found in an internal combustion engine. Most of the surfaces used in the experiments are machined steel, with or with a Diamond-Like Carbon (DLC) coating. Given the friction in boundary and mixed lubrication being higher than in EHD lubrication, it is crucial to predict the transitions between these regimes. These strongly depend on surface roughness. There are very few experimental works that deal with this issue, and the theoretical attempts to include the influence of random surface roughness are based on roughness parameters that are difficult to measure because of their dependence towards the sampling conditions and their non-stationarity. Based on numerous topographical surveys (using interferometry and AFM), a method is implemented to ensure the representativeness of roughness statistical parameters in order to characterize a range of surface roughnesses within the interval [0.001 ; 1] μm. Then, these surfaces are rubbed against each other using Stribeck procedures in order to correlate their morphology to their friction behaviour. The high-pressure rheology of poly-α olefins is measured in smooth contacts with respect to the pressure and the temperature. This not only allows to quantify the friction force for any contact operating in EHD lubrication, but also to set a criterion to spot the onset of mixed lubrication. At high entrainment speed, the viscous shear stress vanishes, which is often attributed to shear heating. It is shown that thermal effects can not explain such a drop of friction for our own experiments. However, the widening of the pressure profile — which becomes significant when the film thickness becomes comparable to a tenth the contact length — is more likely to explain this behaviour. Our results show that the product of the inlet viscosity with the entrainment speed, spotted at the mixed-EHD transition, follows a super linear power law with the RMS roughness, whatever the materials involved, which allows to predict whether a contact operate in mixed lubrication or not. The transition from mixed to boundary lubrication reveals material and roughness-dependent with a clearly different behaviour between DLC/DLC contacts and contacts involving at least one steel body. Regarding the DLC/DLC contacts, the boundary friction is due to the plastic shearing of the lubricant, which explains why surface roughness has no influence on boundary friction for these contacts. With Steel/DLC and steel/steel contacts, the boundary friction presents two monotonous trends versus the composite RMS roughness. Eventually, a mixed bearing model based on the Greenwood-Willimason assumptions was implemented and allowed to reproduce quite closely the experimentally obtained Stribeck curves. This implementation indicates in particular the sampling conditions that are optimal to capture relevant asperity parameters.

Le moteur à combustion, utilisé dans l’automobile est en perpétuelle évolution pour des raisons économiques et écologiques. Pour parvenir à de faibles consommations de carburant et émissions polluantes, l’un des axes étudiés est la réduction des pertes mécaniques par frottement du moteur qui constituent 15 à 20% de la consommation totale d’énergie du moteur. 50% de ces frottements proviennent des contacts Segment-Piston- Chemise et de la liaison Maneton-Bielle-Coussinet. De ce fait la compréhension de la tribologie de ce contact, l’optimisation de la lubrification et le vieillissement des lubrifiants deviennent primordiaux. L’objectif de cette thèse est d’étudier les mécanismes de lubrification de ces contacts segment/chemise et maneton/coussinet, et en particulier de comprendre l’influence du couplage additif, surface et matériau dans les différentes régimes de lubrification. Il s’agira de répondre à la question : comment maîtriser le frottement et l’usure en contrôlant la chimie du lubrifiant, la topographie et le matériau ? La démarche expérimentale choisie s’appuie sur l’analyse du comportement tribologique de deux additifs modificateurs de frottement sans cendres d’une part, puis sur l’impact du matériau et enfin sur l’influence de la topographie d’autre part. L’analyse de la cinétique d’évolution du coefficient de frottement et des traces d’usure en régime limite ont notamment permis d’identifier les mécanismes de réduction de frottement induits par les deux modificateurs étudiés. / The combustion engine used in automotive industry is constantly changing for economic and ecological reasons. To achieve low fuel consumption and pollutants emissions, one of research axes studied is the reduction of the mechanical friction loss of the motor which constitute 15-20 % of the total energy consumption of the engine. 50% of these come from friction contacts cylinder /piston rings and conrod bearing. Thereby understanding of tribology of the contact, optimizing lubrication and lubricants aging become paramount. The objective of this thesis is to study the mechanisms of lubrication of these contact (piston ring/cylinder and conrod bearing), and in particular to understand the influence of the additive coupling surface and material in the different lubrication regimes. This will answer the question : how to control the friction and wear by controlling the chemistry of the lubricant, the topography and the material ? The experimental approach chosen is based on the analysis of the tribological behavior of two friction modifiers additives ashless at first time, and on the impact of material and finally the influence of topography on the second time. XPS Analysis of the evolution of the coefficient of friction and wear track under boundary regime have enabled to identify mechanisms to reduce friction induced by the two modifiers studied.

Les garnitures mécaniques sont des composants d'étanchéité d'arbres tournants. Elles sont constituées de deux surfaces planes annulaires dont le contact est lubrifié par le fluide à étancher.L'opération de recherche « Jointlub » du département D3 de l'institut P' a développé des outils de simulation du comportement des garnitures par des méthodes analytiques, semi analytiques et numériques. En s'appuyant sur ces acquis, l'objectif de cette thèse vise à définir une méthodologie d'analyse préalable permettant l'optimisation de la modélisation du fonctionnement d'une garniture mécanique en fonction de la solution technologique choisie. Ceci consiste à proposer un procédé de choix d'outils de modélisation parmi les principaux types existants.Un ensemble d'indicateurs et de critères est développé afin de déterminer les phénomènes physiques prépondérants lors du fonctionnement d'une garniture dans des conditions données. Le modèle retenu pour la simulation devra prendre en compte les phénomènes identifiés.Des validations expérimentales ont été réalisées pour une garniture mécanique opérant dans différents régimes de fonctionnement. Une étude de l'évolution de la topographie des faces de frottement, du couple de frottement, du débit de fuite et du comportement thermique ont été effectués. Les expériences ont montré que le comportement des garnitures dépend fortement du régime de lubrification : mixte, hydrodynamique ou thermo-élasto-hydrodynamique.Les modèles théoriques ont été comparés aux résultats expérimentaux. Une bonne corrélation est obtenue dans leur domaine de validité, défini à partir des indicateurs. Des écarts plus importants sont observés lorsque les modèles sont utilisés dans des zones où ils ne prennent pas en compte l'ensemble des phénomènes physiques. Cette comparaison a montré que les indicateurs et critères de la méthode de choix proposée sont pertinents et permettent une bonne identification des phénomènes physiques à prendre en compte. / Mechanical face seals are sealing components for rotating shafts. It basically consists of two annular flat surfaces lubricated with a very thin film of sealed fluid.The "Seals lubrication" group of the Pprime institute has developed different modeling tools of mechanical face seals behavior by analytical, semi analytical and numerical methods. The objective of this thesis is to define a preliminary methodology to optimize the modeling of the mechanical seal taking into account the seal design. This analysis provides a suggestion of modeling tools among the existing types. A set of indicators and criteria are developed to determine the dominating physical phenomena during the operation of the seal under given conditions. The selected modeling tools should take into account the identified phenomena. Experimental validations were performed for a mechanical seal working in different operating conditions. Studies of the evolution of the friction faces topography, the friction torque, the leakage rate and the thermal effect were carried out. Experiments have shown that the behavior of the mechanical seal strongly depends on the lubrication regime: mixed, hydrodynamic and thermo-elasto-hydrodynamic.Theoretical models were compared with experimental results. A good correlation is obtained into their range of validity defined with preliminary analysis. Larger differences are observed when the models are used in conditions where unconsidered physical phenomena occur. This comparison showed that the indicators and criteria of the proposed method of choice are relevant and allows a good identification of the physical phenomena that should be taken into account.