Techn. Hochsch., Diss.--Aachen, 2006.

Les contraintes économiques et environnementales toujours plus exigeantes tendent à réduire la quantité de lubrifiant utilisée dans les systèmes mécaniques. Il en résulte des épaisseurs de film de l’ordre du nanomètre dans les zones de contact, laissant seulement quelques couches de molécules de lubrifiant pour assurer la séparation des surfaces. Pour relever ce défi, de nouveaux fluides sont à l’étude tels que les liquides ioniques qui présentent un formidable potentiel en tant que lubrifiants. Grâce à la Dynamique Moléculaire, la réponse rhéologique d’un liquide ionique à différentes sollicitations de température, pression et cisaillement est tout d’abord caractérisée en détail. Avec l’appui d’essais expérimentaux, l’aptitude du liquide ionique à lubrifier des films minces est confirmée. Cette étude a également permis de jeter un nouveau regard sur les modèles analytiques classiques utilisés en rhéologie. Le liquide ionique en situation de nano-confinement entre deux surfaces représentatives d’un contact acier-acier est ensuite étudié. Les effets combinés du glissement à la paroi, de la rhéofluidification et de l’élévation de température apportent des éléments de réponse pour expliquer la saturation de la contrainte de cisaillement aux fortes sollicitations. Enfin, l’influence de différents revêtements de surface limitant grandement le frottement est analysée. Selon le matériau utilisé, des régimes de lubrification très différents surviennent avec un glissement du fluide à la paroi parfois prédominant. L’utilisation de surfaces polaires impacte également fortement la réponse des contacts lubrifiés par un liquide ionique. / Increasing economic and environmental constraints tend to reduce the amount of lubricant used in mechanical systems. This results in nanometric film thicknesses in the contact areas, leaving only a few layers of lubricant molecules to ensure the separation of the surfaces. To meet this challenge, new fluids are being considered such as ionic liquids which feature a great potential as lubricants. Through Molecular Dynamics simulations, the rheological response of an ionic liquid to different conditions of temperature, shear and pressure is first characterized in detail. The ability of the ionic liquid to lubricate thin films is confirmed. Besides, this study goes back over the classic analytical models used in rheology. The ionic liquid is then nanoconfined between two representative surfaces of a steel-steel contact. The combined effects of wall slip, shear-thinning and temperature rise provide answers to explain the saturation of the shear stress. Finally, the influence of different low friction surface coatings is analyzed. According to the material used, very different dynamical behaviors occur. Moreover, it is shown that the use of polar surfaces significantly impacts the response of ionic liquid lubricated contacts.

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Lors des procédés de mise en forme à chaud des matériaux métalliques, les surfaces des outillages sont soumises à des sollicitations thermiques, mécaniques et physico-chimiques. Le frottement et l'usure jouent un rôle important dans l'endommagement de ces surfaces. De plus, les couches d'oxyde dues à la haute température influencent les mécanismes d'usure. L'objectif de ce travail est de définir un modèle phénoménologique des mécanismes activés dans un contact haute température durant les premiers instants de frottement à partir du concept du troisième corps. Des essais tribologiques pion-disque de très faible durée ont été effectués avec pour particularité la création de pièges à troisième corps à la surface des pions. Ces pièges nous ont permis d'identifier le troisième corps qui circulait dans le contact, et ont mis en avant les différents débits de premiers et de troisième corps qui se sont activés. A partir d'observations MEB couplées à des analyses EDS, le troisième corps a été identifié, et il apparaît qu'il en existe plusieurs types qui ont cependant tous pour origine commune le pion. Une fois la source du troisième corps connue, les mécanismes de sa formation et de sa circulation ont été déterminés. Enfin, les mécanismes d'accommodation de la différence de vitesse et les débits de particules ont été définis et ont permis d'établir un modèle phénoménologique d'un contact à haute température. / In high temperature forming processes, the tool surfaces are the privileged places for thermal, mechanical, and physico-chemical solicitations. Friction and wear play an important part in tool surface damage. Thus, oxide scales due to the high temperature influence the wear mechanisms. The aim of this work is to define a phenomenological model of the activated mechanisms in a high temperature contact during the first seconds of friction, based on the third body concept. Very short tribological tests, using a pin-on-disc tribometer were carried out. The main characteristic of these tests was the creation of third body traps on the pin surface. The aim of these traps was to identify the third body which was circulating in the contact, and to highlight the activated flows of the first and third bodies. SEM observations and EDS investigations have revealed that different types of third body circulate in the contact, but each type was a part of the pin. Once the source of the third body was identified, its formation and circulation mechanisms were determined. Finally, accommodation mechanisms and particles flows were defined and used to develop a phenomenological model of a high temperature contact.

La réduction de la consommation en carburant des voitures est une préoccupation importante. L'objectif est de réduire les frottements entre pièces mobiles du moteur à travers la formulation du lubrifiant.Un lubrifiant est composé d'une huile de base et d'additifs afin d'ajuster les propriétés de l'huile moteur. En particulier, des polymères sont utilisés pour limiter la perte de viscosité avec la température afin de protéger au mieux les pièces du moteur. Le fonctionnement de ce type d'additifs, appelés améliorants de viscosité (AVI), est basé sur le gonflement avec la température des chaines polymères. Le paramètre le plus important à prendre en compte dans la formulation d'un lubrifiant est sa viscosité ainsi que sa dépendance en température. Le but de ce travail a été d'étudier l'influence de polymères AVI récemment commercialisés afin de sélectionner le plus efficace dans le cadre d'une application moteur, tout en éclaircissant les mécanismes d'action en jeu à l'échelle moléculaire dans ce type de systèmes. Les propriétés rhéologiques de poly(alkyle méthacrylates) en solution ont été étudiées à l'aide de tests standards dans le but de comprendre l'influence des lubrifiants sous pression et dans des conditions confinées. La dégradation de ce type de polymère a également été considérée à travers un test standard afin de vérifier si les performances du polymère sont conservées dans le temps. Les comportements en dégradation et en tribologie ont pu être rationalisés par des considérations de volume occupé par le polymère. / The reduction of car fuel consumption is one of the biggest concerns for oil companies. It involves the reduction of friction between moving parts through the formulation of lubricants.A lubricant is composed of base oil and several additives used to improve the properties of engine oils. Polymeric compounds are used to limit the decrease of viscosity with temperatures to efficiently protect the motor. This type of additives, called Viscosity Index Improver (VII), is based on the swelling of polymer chains with temperature. The most important parameter in the lubricant formulation is the viscosity and its dependance on temperature. The aim of the work was to study the influence of recently developed families of VII additives in different base oils in ordrer to select the most efficient type of polymer for engine lubricant uses, by understanding the molecular mechanisms responsible of the VII behavior. Various polyalkylmethacrylates were investigated to establishing the rheological properties of the solutions, namely as a function of temperature (dependence of intrinsic viscosity). For a given base oil, the efficiency of a VII varies with its chemical structure, its molecular weight and its concentration. Then, tribological properties were investigated using standard tests with the aim to obtain an overview of the lubricant's behavior under pressure. We also considered the degradation of this kind of polymers in a representative test in order to check the performance's durability. Degradation and tribological behaviors were rationalized in terms of volume occupied by polymer chains.

Mineralischen Rohstoffe werden in vielen Industriezweigen verarbeitet. Hierbei ist der notwendige Energieeinsatz zur Zerkleinerung von Gestein von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wurden die Mechanismen der spanenden Gesteinszerstörung sowie grundlegende Ansätze der schlagenden Zerstörung von Hartgestein untersucht. Dazu wurde ein Kleinkaliberbohrversuchsstand entwickelt und genutzt, um unterschiedliche Schneidstoffe im Kontakt mit Festgestein zu beproben. Die Beanspruchung der zum Einsatz kommenden Schneidmaterialien orientiert sich an realen spanenden Gesteinsbohrvorgängen und liefert eine hochaufgelöste Datenbasis für grobspanende Bohrverfahren. Weiterhin fanden Tests an einem Fallwerk statt, die zur Untersuchung dynamischer Belastungen auf Bohrmeißelinserts genutzt wurden. Die Experimente wurden durch Aufnahmen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera begleitet und veranschaulichen die Zerstörungsvorgänge in unterschiedlichen Gesteinen. Die Zerspanbarkeiten der Gesteine wurden hinsichtlich der spezifischen Energie, der Flächenpressungen auf die Schneiden und des Verschleißes der Schneidmaterialien bewertet. Vergleichende Bohrversuche mit einem neuen Schneidstoff wurden durchgeführt. Aus der Arbeit konnten Entwicklungstendenzen für den Einsatz neuer Materialien bei der Hartgesteinszerstörung herausgearbeitet werden. Die Untersuchung der Mechanismen bei der spanenden Zerstörung von Festgestein unter atmosphärischen Bedingungen stellt in Zusammenhang mit den Beurteilungskriterien für die Effizienz des Bohrvorganges eine Basis für die praktische Übertragbarkeit auf Anwendung in der Tiefbohrtechnik dar.

Ces dernières décennies de nombreux modèles de paliers à feuilles ont été développés. Aujourd'hui, la limite de ces modèles est apparente notamment au niveau de la compréhension des comportements non linéaire du système rotor palier et de la quantification de sa dissipation énergétique. Il est essentiel pour les développements futurs de maîtriser les instabilités liées au fonctionnement de ces paliers. Grâce à une approche variationnelle et la MEF, la structure flexible a été modélisée comme une structure mince soumise à la pression d'un fluide compressible, isotherme, laminaire puis turbulent. Nous tenons compte dans cette étude, des frottements secs internes en utilisant la loi de Coulomb et la méthode du Lagrangien augmenté. Le modèle de structure est couplé avec équations de Reynolds des films minces afin de déterminer le comportement du rotor à l'aide du principe fondamental de la dynamique. Nous avons montré la pertinence de l'approche choisie, notamment l'utilisation du modèle de structure mince sur le comportement dynamique du rotor et sur le champ de pression hénéré dans le palier. On démontre aussi l'intéraction entre les déflections des bumps et le frottement sec. L'action du flambage est doublement accentué par le phénomène de frottement présent entre les feuilles, modifiant ainsi la dissipation d'énergie dans le palier. Le second objectif a été d'identifier l'origine des phénomènes subsynchrones afin de développer des nouveaux paliers en se dédouanant des instabilités qu'elles engendrent. / These last decades numerous model for airfoil bearings have been developed. But nowadays, these models are not sufficiently accurate for the rotor response prediction in the presence of non linearities. It is essential for the future developments to control the instabilities due to the non linear behavior in order to quantify the energy dissipation in the bearings. By means of a variational approach, the flexible structure is modeled as a thin media subjected to a compressible fluid pressure, isothermal and in a laminar then turbulent regime. The model is built up using FEM for the foils response. the internal dry friction is taken into account with Coulomb’s law and the updated Lagrangian method. The structure model is coupled with Reynolds equation to calculate the rotor motions, thanks to the basic principle of dynamics (B.P.D). This work is performed, first, to put in evidence the influence of thin structure approach on the rotor behavior and on the field pressure. The link between bumps deflections and dry friction is established. The structure buckling is twice increased by the phenomenon of friction between sheets and energy dissipation. The second objective is to identify the subsynchronous frequencies in order to establish the relevance of the new airfoil model for non linear and instabilities investigations.

L’objectif de cette thèse est d’approfondir la connaissance sur la génération et la propagation des ondes à travers l’interface de contact afin de contrôler leurs effets sur le frottement, contrôler les instabilités et réduire les phénomènes d'usure. Le travail est organisé en deux parties principales. La première partie est axée sur une analyse non-linéaire par éléments finis en grandes transformations; la rupture dynamique à l’interface de contact avec frottement, qui sépare deux corps (isotropes et élastiques) en condition de pré-charge statique, est simulée. On définit comme étant une rupture une zone, initialement en adhérence, qui change son état en devenant glissante. Les propriétés des ruptures sont analysées pour une surface plane entre deux matériaux différents en fonction de l’énergie de nucléation; l’effet de la rugosité de surface est ensuite analysée. En outre, la rupture "cumulatives" dans les aspérités et les conditions pour le couplage ou le non-couplage entre les ondes qui se propagent dans les deux corps sont étudiées. Dans la deuxième partie, l'amorçage du glissement entre deux corps en contact constitués de matériaux différents et séparés par une interface avec frottement, est simulée. L’évolution, en fonction du temps, des forces globales (normale et tangentielle) a été mise en relation avec les phénomènes locaux qui se déroulent à l’interface. L'analyse montre comment les micro-slips à l'interface, en agissant comme ruptures localisées, déclenchent les macro-slips entre les deux corps. L'interaction entre les dynamiques locale du contact et globale du système a été aussi étudiée. Enfin, une analyse paramétrique est menée en fonction de plusieurs paramètres (loi de contact, coefficient de frottement, amortissement matériau, charge normale, etc.). Les résultats mettent en avant le rôle-clé des micro-slips et des précurseurs (propagations d'ondes détectables qui ont lieu pour des valeurs de la force tangentielle globale inférieures à la valeur prévue par la loi de frottement) dans l'amorçage du macro-slip entre les deux corps. En fonction de leur distribution et de leur intensité, l'évolution des forces de contact change en passant d'un comportement de type stick-slip à un glissement continu. La dynamique locale au contact (propagation des ondes et ruptures) a été reliée au comportement global du système (stick-slip, glissement continu, vibrations induites); l'effet des paramètres du contact et du système sur le transfert d'énergie vibrationnelle entre le contact glissant et le système a également été examinée: en fonction de leurs valeurs, on peut avoir différentes modalités d'excitation du système (par une distribution de micro-slips ou par des macro-slips) et différentes processus de propagation et dissipation d'énergie. Les résultats numériques obtenus dans les deux parties de la thèse sont cohérents avec les résultats expérimentaux de la littérature. / This thesis is addressed to the understanding of the mechanisms at the origin of the contact wave fields at frictional interfaces and its relationship with the local characteristics of the surfaces in contact, as well as with the global dynamics and macroscopic frictional behaviour of the system. The aim of this work is to provide insights on the generation and propagation of the waves through the contact both to avoid instabilities and to control their effect on friction. The work is organized in two main parts. The first part presents the development of a non-linear finite element analysis in large transformations of the dynamic rupture at the interface with contact friction separating two bodies (isotropic and elastic) without relative motion. A rupture is considered when an initially sticking zone shifts in sliding state. The properties of the obtained ruptures are analyzed for a flat interface between dissimilar materials in function of the nucleation energy; then the effect of the interface roughness is analyzed. The differentiated rupture inside the asperities and the conditions for coupling and uncoupling between the waves radiating in the two bodies have been also investigated. In the second part, the analysis deals with the sliding onset between two bodies in contact. The sliding between two bodies made of different isotropic elastic materials and separated by a frictional interface is simulated. The evolution along the time of the global normal and tangential forces is analyzed, relating it to the local phenomena occurring at the interface. This part tries to investigate how micro-slips at the interface, acting as distributed ruptures, trigger the macro-slips between the two bodies. The interaction between local and global dynamics is also studied. Finally a numerical parameter space study is carried out, as a function of several system parameters (contact law, friction coefficient, material damping, normal load, translational velocity and regularization time). The results show the key role of the micro-slips and precursors (detectable wave propagations that occur at tangential global force well below the critical value expected by the friction law) in triggering the macro-slip between the two bodies. Depending on their distribution and magnitude the evolution of the contact forces passes from stick-slip-like behaviour to continuous sliding. The local dynamics at the contact (wave and rupture propagation) is linked to the global behaviour of the system (stick-slip, continuous sliding, induced vibrations); the effect of the contact and system parameters on the transfer of vibrational energy between the sliding contact and the system is investigated. The numerical results obtained by the two parts of the work show a good agreement with experimental results in literature.

Dans le domaine automobile, les réductions de consommation de carburant et des émissions polluantes constituent des axes de recherches majeurs. Dans ce contexte, de nombreux efforts sont portés sur l’amélioration du rendement des boîtes de vitesses. Parmi l’ensemble des pertes générées dans une boîte de vitesses, les pertes par barbotage peuvent représenter une source de perte importante. Si différents modèles existent pour quantifier les pertes par barbotage, aucun d’entre eux ne prend en compte l’influence de la présence d’air dans le lubrifiant. Grâce à un banc d’essais spécifique, il est montré que l’aération de l’huile peut avoir un impact sur les pertes par barbotage. Un modèle original d’estimation des pertes dues à l’aération est alors développé. Ce dernier révèle que des propriétés du lubrifiant autres que la viscosité ou la masse volumique peuvent avoir une influence sur les pertes par barbotage. L’étude des pertes par barbotage conduit également à s’intéresser à ce mode de lubrification largement employé dans les boîtes de vitesses manuelles. Actuellement, la mise au point de cette méthode de lubrification souffre d’un manque d’informations portant principalement sur les débits mis en jeu lors du phénomène de projection d’huile par les pignons en rotation. L’analyse de ces débits d’huile est conduite au moyen d’un banc d’essais développé spécifiquement. Les nombreux résultats de mesures obtenus permettent de mieux appréhender ce phénomène de projection. Un modèle analytique est finalement proposé permettant d’estimer les débits d’huile projetée pouvant être utilisé lors de la mise au point de la lubrification d’une boîte de vitesses. / Reducing fuel consumption and automobile emissions are nowadays the main topics of research for the automotive industry. Therefore, the situation involves concentrating many efforts to improve gearbox efficiency. Churning losses may represent a significant source of loss among the losses generated in a gearbox. Several models have been developed to quantify churning losses but they do not consider the air present in the lubricant. The use of a specific test rig has revealed that oil aeration could have an impact on churning losses. A heuristic model estimating aeration induced losses has therefore been developed. The latter reveals that some unexpected lubricant's properties, apart from viscosity and density, may impact churning losses. Indeed, the study of churning losses also encourages learning more about this type of lubrication, widely used in manual gearboxes. There is currently a lack of information around the development of that method of lubrication. This lack of information bears mainly on the flows involved in the phenomenon of oil splashed up by the rotating gears. The analysis of the involved oil flows is carried out with a test rig designed for that purpose. Therefore, the numerous findings based on a series of measurements may help splash phenomenon to be better understood. Finally, an analytical model is proposed to help estimate the flow of oil splashed. Such model may be used for the development of gearbox lubrication.

Le développement de lubrifiants à haute valeur ajoutée subissant des conditions opératoires de plus en plus draconiennes, économes en carburant et performants pendant une longue durée reste un défi considérable pour les fabricants d’huiles. Cette thèse concerne l’étude du rôle et des actions des améliorants d’indice de viscosité (ou Viscosity Index Improvers (VII)) dans les lubrifiants moteurs. Le premier objectif visé dans ce travail est la caractérisation des comportements rhéologiques et la modélisation de la viscosité en fonction de conditions réelles de température, pression et contrainte de cisaillement pour des solutions d’huile de base et de polymère sans additifs fonctionnels. Plusieurs polymères (PAMA, OCP et PISH) de masses moléculaires et conformations (peigne, linéaire et étoile) différentes sont utilisés à 1,2% en masse dans une huile de base minérale hydrocraquée. L’originalité de la thèse réside dans l’utilisation de rhéomètres non-commerciaux à haute pression (jusqu’à 800 MPa). Un deuxième défi réside dans la compréhension de la relation entre la réponse rhéologique des lubrifiants automobiles simplifiés et les mécanismes présents à l’échelle moléculaire en explorant les notions de conformation, de solubilité et de rayon hydrodynamique grâce à l’extension de la loi d’Einstein à haute pression. Enfin, l’étude se concentre sur le lien entre rhéologie et tribologie et par extension, entre la composition chimique du lubrifiant et la tribologie. Les épaisseurs de film sont mesurées et comparées avec les prédictions analytiques de Hamrock-Dowson et avec les simulations numériques basées sur l’équation de Reynolds généralisée en incluant les modèles rhéologiques. Les données expérimentales et numériques sont en adéquation. / The development of high value-added lubricants overcoming more and more drastic operating conditions, fuel-efficient and providing excellent performance during a long time remains a huge challenge for oil makers. This thesis is dedicated to the study of the role and the actions of Viscosity Index Improvers (VII) in engine lubricants. The first objective targeted in this work is the characterization of the rheological behaviors and the modeling of viscosity in function of realistic conditions of temperature, pressure and shear stress for polymer-thickened base oil solutions without functional additives. Several polymers (PAMA, OCP and PISH) with different molecular weights and conformations (comb, linear and star) are used with a concentration of 1.2% (w/w) in a hydrocracked mineral base oil. The originality of the thesis lies in the use of non-commercial rheometers under high pressure (up to 800 MPa). A second challenge is the understanding of the relationship between the rheological response of simplified engine lubricants and the mechanisms occurring at the molecular scale by exploring the notions of conformation, solubility and hydrodynamic radius by the extension of the Einstein’s law at high pressure. Finally, the study focuses on the link between rheology and tribology and by extrapolation, between the chemical composition of the lubricant and tribology. The film thickness is measured and compared with the Hamrock-Dowson analytical predictions and with the numerical simulations based on the generalized Reynolds’ equation including the rheological models. Both experimental and numerical data are in good agreement.