Lorsqu'un véhicule électrique accélère, le moteur génère des forces maximales et d'énormes pressions agissent sur les engrenages de la transmission électrique. La surface rencontre la surface, le métal rencontre le métal. S'il n'y avait pas de film lubrifiant pour permettre aux engrenages de glisser plus facilement, ils deviendraient non seulement extrêmement chauds, mais s'useraient également rapidement. "Sans film lubrifiant, de nombreuses choses dans notre vie quotidienne seraient plus lentes, plus grinçantes et plus saccadées", explique le professeur Michael Moseler, responsable de l'unité commerciale Tribologie au Fraunhofer IWM.
"Le véhicule électrique n'atteindra certainement jamais une autonomie aussi élevée", ajoute le Dr Kerstin Falk, qui dirige l'équipe "Molecular Lubrication Design". Ensemble, ils étudient le comportement des films lubrifiants dans des contacts tribologiques fortement sollicités afin de prédire leur aptitude à un fonctionnement à faible frottement.
Que le matériau en question soit du métal, du plastique ou de la céramique, une lubrification idéale peut permettre d'économiser plus de 20 % d'énergie, car les machines fonctionnent avec moins de résistance. Il s'agit également d'un domaine de recherche prometteur en termes de durabilité.
Il n'est donc pas étonnant que les entreprises partenaires du MicroTribology Center µTC, une collaboration entre le Fraunhofer IWM et l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT), soient très intéressées à réduire autant que possible les frictions dans leurs systèmes.
« De nombreux systèmes tribologiques sont désormais conçus à leur limite de charge, où se produisent des épaisseurs de film lubrifiant de l'ordre du nanomètre et des pressions de l'ordre du gigapascal. Nos partenaires se demandent comment calculer le frottement dans un composant avec des contacts tribologiques aussi fortement chargés que les systèmes conventionnels. Les approches de calcul de dynamique des fluides échouent dans ces conditions extrêmes", explique Kerstin Falk, résumant le problème.
En collaboration avec leur équipe de simulation du MicroTribology Centrum μTC, Falk et Moseler ont trouvé une réponse à cette question. Ils ont publié leurs recherches dans Science Advances .
La manière dont la friction peut être calculée et ainsi maintenue aussi faible que possible dépend du régime de lubrification qu'une entreprise vise pour ses composants. Habituellement, il souhaite piloter ses tribosystèmes (où une force presse les corps primaire et opposé l'un contre l'autre) dans des conditions élastohydrodynamiques.
Un film lubrifiant, dont l'épaisseur est bien supérieure à la rugosité des deux surfaces, est destiné à réduire les frottements. Dans ce cas, le frottement peut être prédit avec précision en utilisant une approche de mécanique des milieux continus. Cela implique de résoudre ce que l'on appelle l'équation de Reynolds pour le lubrifiant, qu'Osborne Reynolds a dérivée en 1886.
De plus, l'équation de conduction thermique pour l'ensemble du système et les équations élastiques linéaires pour les deux surfaces sont calculées. Les seules données matérielles requises sont les modules d'élasticité et les coefficients de Poisson des partenaires de friction, les conductivités thermiques et les capacités thermiques de tous les matériaux impliqués, ainsi que des lois constitutives précises pour la densité du fluide et pour sa viscosité dynamique pour un champ de paramètres. composé de la pression, de la température et du taux de cisaillement local dans le fluide. C'est l'état de l'art.
Cependant, si le système tribologique fonctionne en lubrification limite, avec un film lubrifiant très fin dans lequel les contacts d'aspérités, c'est-à-dire les pics de rugosité, ne sont séparés que par quelques couches atomiques de lubrifiant, seul un coefficient de frottement estimé grossièrement est obtenu. utilisé dans les calculs des points de contact "secs".
"C'est très insatisfaisant car les calculs avec des paramètres de matériaux supposés sont inexacts, conduisent à des conceptions sous-optimales et coûtent finalement beaucoup d'argent aux entreprises", déclare Michael Moseler.
Kerstin Falk et Michael Moseler ne se sont pas contentés de cela :en collaboration avec quatre entreprises partenaires du MicroTribology Centrum µTC, ils ont étudié leur propre loi mathématique pour le comportement de films lubrifiants extrêmement fins au cours d'un projet de trois ans et ont développé l'équation de Reynolds. parler. "Nous voulions comprendre comment se comporte la friction dans la lubrification limite", explique Moseler.
L'objectif du projet est de clarifier ci-dessous quelle épaisseur de film lubrifiant la mécanique du continuum échoue et comment les équations sous-jacentes peuvent être étendues afin qu'un film lubrifiant plus fin que la rugosité de la surface puisse être calculé.
À cette fin, la dynamique moléculaire d'un lubrifiant hydrocarboné dans une géométrie de contact aspérité a été calculée, par exemple deux surfaces en carbone de type diamant (DLC) lubrifiées avec une huile de base polyalphaoléfine (PAO). Les résultats de la simulation de dynamique moléculaire ont ensuite été comparés à ceux de l'équation de Reynolds.
Le résultat retentissant :pour des pressions entre les partenaires de friction inférieures à 0,4 gigapascals et des hauteurs d'espace de lubrification supérieures à 5 nanomètres, la description de Reynolds s'accorde bien avec les calculs de référence de la dynamique moléculaire, à condition d'utiliser une loi de comportement exacte pour la viscosité du lubrifiant.
En revanche, Kerstin Falk et Michael Moseler ont pu montrer que dans des conditions limites de lubrification extrêmes, à savoir des pressions élevées d'env. 1 gigapascal et de petites hauteurs de fente de lubrification d'env. 1 nanomètre, l'adhérence du lubrifiant aux surfaces est réduite, et par conséquent, le glissement entre un partenaire de friction et le lubrifiant doit être inclus dans le calcul pour prédire correctement le frottement.
Cela nécessite une loi de glissement des murs non linéaire. Cela relie les vitesses de glissement des parois (c'est-à-dire la différence de vitesse entre un partenaire de friction et le lubrifiant adjacent) aux contraintes de cisaillement locales dans le film lubrifiant.
Grâce à ces résultats de recherche, les chercheurs présentent désormais une méthode innovante pour prédire le frottement dans des conditions limites de lubrification. Une information supplémentaire requise pour cette modélisation prédictive non empirique du continuum de contacts tribologiques hautement chargés est la structure atomique des surfaces de frottement. Ceci est déterminé à l'aide d'analyses expérimentales approfondies et constitue une condition préalable à la loi de glissement des murs.
Les nouveaux résultats du Fraunhofer IWM sont désormais utilisés dans des projets de suivi visant à prédire les coefficients de frottement et le comportement de frottement dans des applications spécifiques, par exemple dans les engrenages et les roulements, ainsi qu'à aider les partenaires de recherche à développer leur expertise en simulation. /P>
Ils peuvent alors réaliser des bancs d’essais et des simulations de composants, réduire les incertitudes dans la conception de systèmes tribologiques et déterminer plus précisément les paramètres de conception. Il s'agit d'une étape essentielle vers une conception de lubrifiants, de surfaces et de composants basée sur la connaissance et devrait s'avérer extrêmement intéressante pour les fabricants de lubrifiants et les revêtements ainsi que pour les fabricants de roulements et d'engrenages.
Plus d'informations : Andrea Codrignani et al, Vers une description continue de la lubrification dans des constrictions nanométriques sous haute pression :l'importance de lois de glissement précises, Science Advances (2023). DOI :10.1126/sciadv.adi2649
Informations sur le journal : Progrès scientifiques
Fourni par Fraunhofer-Gesellschaft
