Les garnitures mécaniques sont des composants d'étanchéité d'arbres tournants fréquemment rencontrés dans les applications industrielles. Une garniture est constituée de deux surfaces planes annulaires dont le contact est lubrifié par le fluide dont il faut assurer l'étanchéité. Le fonctionnement optimal est obtenu en minimisant à la fois la fuite et l'usure. Cela correspond à une épaisseur de film de l'ordre du micromètre, et à un régime de lubrification mixte. Dans ce cas, le film fluide n'est pas complet et des zones de contact apparaissent. Une analyse bibliographique approfondie a permis de justifier le recours à une approche déterministe pour notre étude. Cela nécessite de caractériser correctement les surfaces rugueuses et de pouvoir les reproduire par simulation numérique. Une étude métrologique a été menée sur des échantillons de garnitures mécaniques à plusieurs stades de fonctionnement. Ainsi, les valeurs des paramètres statistiques de la rugosité de ces surfaces ont pu être déterminées. Un modèle numérique de génération de surface rugueuse non Gaussienne a été développé. Un modèle d'écoulement déterministe de la lubrification mixte des garnitures mécaniques est ensuite présenté. Il inclut la cavitation dans le fluide et le contact normal hertzien des aspérités. La résolution de l'équation de conservation du débit est entreprise au moyen de la méthode des volumes finis. Une étude paramétrique a été réalisée pour quatre surfaces statistiquement équivalentes et représentatives d'un état de surface rodé. Le modèle met en évidence la génération de portance due à la rugosité, bien que les surfaces moyennes soient planes et parallèles. Des courbes de Stribeck ont été tracées pour chaque cas étudié. L'écart-type de la hauteur des rugosités est le paramètre ayant le plus d'influence sur les résultats. De plus, le développement de la microcavitation, qui dépend étroitement de l'agencement de la rugosité, a une grande importance dans la modélisation.

Ce document présente une synthèse d'une dizaine de recherches sur les garnitures mécaniques. Ce sont des composant d'étanchéité dynamique pour arbres tournants. L'interface de l'étanchéité met en jeu de nombreux phénomènes physiques qui interagissent. Une analyse de ces différents effets et interactions est proposée

Les garnitures mécaniques sont des composants utilisés pour assurer l'étanchéité d'arbres tournants. Elles sont constituées principalement de deux anneaux plans (le rotor et le stator), dont l'interface, qui constitue la barrière d'étanchéité, est lubrifiée par un film fluide. Le fonctionnement optimal est obtenu en minimisant à la fois la fuite et l'usure. Cela correspond à une épaisseur de film de l'ordre du micromètre, et à un régime de lubrification mixte. L'étude bibliographique présentant l'état de l'art a permis de justifier l'utilisation d'une approche multi-échelles pour traiter le problème de lubrification mixte. Une autre partie de cette bibliographie a permis d'identifier les modèles thermiques à mettre en œuvre. Le modèle multi-échelles développé pour l'étude de la lubrification mixte des garnitures mécaniques est ensuite présenté. Ce dernier utilise les surfaces numériquement générées et consiste à décomposer le domaine d'étude en plusieurs sous-domaines. L'équation de Reynolds prenant en compte la cavitation dans le fluide est résolue par la méthode des volumes finis à l'échelle micrométrique dans les sous-domaines de même que le contact normal hertzien des aspérités. Une échelle macroscopique est introduite pour connecter les conditions aux limites aux bornes des sous-domaines. Un champ de pression macroscopique est ainsi obtenu en assurant la conservation globale du débit. Ce modèle prend également en compte, à l'échelle macroscopique, le comportement Thermo-Elasto-HydroDynamique (TEHD) dans les garnitures mécaniques. La discrétisation des équations de chaleur et de déformation est effectuée grâce à la méthode des éléments finis pour une géométrie axisymétrique. La validation du modèle multi-échelles est faite avec un modèle déterministe de lubrification mixte, d'une part, et d'autre part avec un modèle TEHD pour surfaces lisses précédemment développé au laboratoire. L'influence des paramètres caractérisant le comportement de la garniture est analysée au travers d'une étude paramétrique. Cette étude a permis d'identifier les différents régimes de lubrification dans lesquels l'épaisseur du film lubrifiant est contrôlée par la hauteur des rugosités ou par les déformations thermoélastiques des faces.

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.

Les exigences actuelles en terme de lubrification automobile imposent des formulations extrêmement complexes. Parmi tous les additifs présents dans l’huile, on peut noter le dithiocarbamate de molybdène et le dithiophosphate de zinc, additifs à action tribologique à base de soufre et de phosphore. Pour des raisons environnementales, il est important de diminuer voir d’éliminer la présence de ces deux éléments dans les huiles. Les molécules organiques à base de carbone, oxygène et hydrogène semblent être de bons candidats. Le mécanisme de lubrification des acides gras (acides stéarique, oléique et linoléique) est revisité par une approche visant à combiner l’étude expérimentale et la modélisation moléculaire. Tout d’abord, les mécanismes d’adsorption des acides gras sur des surfaces à base de fer sont étudiés par couplage Chimie Quantique et Dynamique Moléculaire (UA-QCMD). L’adsorption des acides gras sur des surfaces à base de fer se fait par la fonction acide. Selon la nature du substrat, la densité du film et l’angle d’inclinaison de la molécule par rapport à la surface, différents mécanismes d’adsorption peuvent avoir lieu (physisorption et chimisorption). Les molécules d’acide stéarique forment une monocouche compacte et bien arrangée alors que les molécules insaturées en sont incapables à cause d’effets stériques induits par les doubles liaisons carbone-carbone. Le frottement favorise la formation de la fonction carboxylate. Ces résultats sont confirmés par des analyses de surface (XPS et PM-IRRAS). Les propriétés tribologiques des acides gras purs, dans la PAO 4 et en mélange dans la PAO 4 sont étudiées par simulation MD et par des tribotests. Un faible frottement et une absence d’usure visible ont été observés pour l’acide stéarique pur et dissous à 1%m dans la PAO 4 à haute température. La présence de molécules insaturées inhibe les propriétés réductrices de frottement de l’acide stéarique, en particulier à 150 °C. Ceci est expliqué par la diffusion des acides gras insaturés bien supérieure à celle de l’acide stéarique dans la PAO 4 à toutes les températures étudiées. / The current requirements in automotive lubrication impose complex formulation. Among all the additives present in oil, the presence of molybdenum dithiocarbamate and zinc dithiophosphate, both tribological additives containing sulfur and phosphorous is found. For environmental reasons, it is important to reduce or eliminate the presence of these two elements contained in oil. Organic molecules based on carbon, oxygen and hydrogen seems to be good candidate. The lubrication mechanism of fatty acids (e.g. stearic, oleic and linoleic acids) is revisited with a new approach combining experimental and computational chemistry studies. First, the adsorption mechanisms of fatty acids on iron-based surfaces are investigated by Ultra-Accelerated Quantum Chemistry Molecular Dynamics simulations. The adsorption of fatty acids on iron oxide surface occurred through the acid group. Depending on the nature of the substrate, on the density of the film and on the tilt angle between the molecule and the surface, different adsorption mechanisms (physisorption and chemisorption) can occur. Stearic acid molecules form a close-packed and well-arranged monolayer whereas unsaturation acids cannot because of steric effects induced by double carbon-carbon bonds. The friction process favors the formation of carboxylate function. Results are confirmed by surface analysis (XPS and PM-IRRAS). Tribological properties of pure fatty acids, blended in PAO 4 and mixture of saturated/unsaturated acids are studied by MD simulations and tribotests. Low friction coefficient with no visible wear is reported for pure stearic acid and single stearic acid blended in PAO 4 at 1%w at high temperature. This lubricating behavior is inhibited in the presence of unsaturated acids, especially at 150 °C. MD simulation results show a faster diffusion toward the surface for unsaturated fatty acids than for stearic acid at all studied temperature.