Réduire les frottements et résister à l'usure

Les frottements résultant des composants mobiles dans les machines engendrent une usure inévitable. On dispose cependant de méthodes pour limiter la friction et prolonger la durée de vie des composants et des machines, et pour éloigner les périodes de maintenance. La plupart du temps, les machines sont lubrifiées, et la charge est supportée par le lubrifiant et par les aspérités.

Les lubrifiants contiennent des composés qui se lient chimiquement aux surfaces métalliques pour réduire la friction. Le projet ALM («Advanced lubrication modelling») a étudié de manière approfondie la formation des couches protectrices à la surface des composants, lorsque le lubrifiant est insuffisant. Les scientifiques ont cherché à modéliser les effets chimiques à l'échelle nanométrique ainsi que les effets mécaniques à l'échelle micrométrique.

Ils ont utilisé les équations de Reynolds pour calculer la répartition de la pression aux interfaces entre les composants mécaniques, dans diverses conditions de lubrification. Pour les films minces, il était important de tenir compte de la rugosité de la surface (découlant des aspérités) lors de la résolution des équations calculant la pression. Les scientifiques d'ALM ont aussi appliqué une méthode d'homogénéisation pour restituer les effets de la rugosité à de petites échelles de longueur caractéristique.

Il existe plusieurs méthodes d'homogénéisation, allant des plus abstraites à celles visant une utilisation dans l'industrie. Par exemple, la méthode des échelles multiples est assez développée pour être utilisée avec des ensembles d'équations décrivant deux surfaces solides coulissantes et interagissant avec un mince film de lubrifiant.

En comprenant mieux l'usure à différentes échelles de longueur et de temps, les scientifiques d'ALM ont pu étudier comment contrôler directement la dynamique des lubrifiants fluides. Le cadre de modélisation à plusieurs échelles a été utilisé en collaboration avec des entreprises partenaires, afin de réduire les pertes de puissance résultant de la friction dans un moteur hydraulique nouvellement conçu.

La polyvalence des outils de simulation numérique conçus par le projet ALM a aussi été démontrée dans la conception de la chemise de moteurs diesel fortement sollicités. Le fait de réduire l'énergie perdue sous forme de chaleur à cause de la friction a augmenté le rendement mécanique et réduit notablement la consommation de carburant et d'huile.

Le projet ALM s'est traduit par un ensemble complet d'outils de modélisation de la lubrification, apportant une nouvelle perspective sur la façon d'optimiser la lubrification de manière fiable et économique. Cet ensemble d'outils devrait devenir incontournable pour les constructeurs d'équipements.