Les matériaux pour engrenages

Caractéristiques et fonctionnalités requises Les engrenages sont des éléments essentiels pour la transmission de mouvement, ils ont pour rôle de transmettre la puissance entre les arbres par contact d’une petite roue dentée le pignon (menant) avec une autre roue (mené), une crémaillère ou une vis sans fm. Les matériaux de fabrication d’engrenage ont connu une évolution constante depuis l’apparition de machines puissantes et rapides au 1ge siècle. Au début de la révolution industrielle, les engrenages généralement sont fabriqués en métal, mais depuis la mise au point d’un grand nombre de matériaux polymères au 20e siècle leurs domaines d’application se sont élargis pour inclure les premiers engrenages en plastiques dans les années 50 ; les engrenages en plastiques étaient utilisés généralement dans les cas où la puissance transmise est faible ; grâce à leur performance et une meilleure connaissance de leur comportement et suite au développement de nouveaux matériaux composites, ils sont en constante évolution. Les recherches sur les engrenages en composites visent principalement à optimiser la durée de vie en limitant le problème d’usure, de corrosion et le niveau de bruit en fonctionnement (qui est un problème classique des pièces frottant sur des solides en mouvement); ces deux paramètres dépendent essentiellement du matériau, du chargement, de la lubrification, la géométrie de la denture et sa précision.

Dans le cas des engrenages en plastiques transmettant de la puissance, lorsqu’une dent fléchit sous l’effet de la charge, ceci peut générer une interférence au niveau des dents adjacentes et génère à la fois du bruit et de l’usure [15]. Selon Hirogaki et al. [4] une méthode de conception basée sur les propriétés mécaniques des matériaux d’engrenage est nécessaire afin de construire un système de conception pour les engrenages en composites. Les engrenages composites moulés par injection utilisant des thermoplastiques renforcés de fibres présentent souvent des performances accrues par rapport à ceux fabriqués à partir de polymères non renforcés [3]. Le Tableau 1-1 présente une classification diversifiée des critères requis pour le matériau d’engrenage. Il s’agit des critères d’ordre tribologiques, mécaniques, thermiques, physiques, économiques et environnementaux. Sous l’effet de la sollicitation mécanique, mais également thermique (chaleur générée au contact), le matériau d’engrenage se dégrade et s’use. Les matériaux d’engrenages doivent assurer un coefficient de frottement faible et constant aux diverses conditions de fonctionnement avec une plage de température acceptable, la conductivité thermique joue un rôle important dans l’amélioration des performances tribologiques; la faible conductivité thermique des polymères peut générer des températures assez élevées à l’interface [16], la résistance à la dégradation thermique limite la baisse de facteur de frottement lorsque le couple transmis est élevé qui influence la température de la surface [13].

Tribologie des matériaux pour engrenages

La géométrie de la denturec’est un phénomène qui est présent dans notre vie quotidienne; l’homme de l’âge de pierre a découvert le feu lorsqu’il a frotté deux pierres l’une contre l’autre et depuis le frottement entre deux surfaces a provoqué une sorte de révolution, ce phénomène est devenu aujourd’hui une discipline complète connue sous le nom de tribologie (vient de mot grec tribos qui signifier frottement). Pendant le processus d’engrènement, le frottement et l’usure sont dominés par la formation d’un troisième corps qui s’ intercale dans le contact entre les dents de l’engrenage mené et l’engrenage menant, c’est Maurice Godet qui a introduit la notion de tribologie à trois corps pour la première fois dans les années 70 [28], puis dans les années 80 Yves Berthier a enrichi cette discipline par les notions de mécanismes d’accommodation de vitesse, de circuit tribologique et de triplet tribologique [29]. Les recherches et les théories de tribologie, ainsi que les processus et les outils développés dans le domaine des engrenages ont pour objectif de produire une qualité de surface respectant les exigences et la complexité de contact à l’engrènement. Après les exigences de forme, de géométrie et de dimension des dents d’engrenage, la rugosité des surfaces de contact fait souvent partie des critères qui permettent de définir la qualité de transmission. Selon une étude récente du CETIM (Centre technique des industries mécaniques) en France , 80 % des avaries des pièces mécaniques commencent en surface, l’étude de glissement des surfaces en contact est actuellement une réelle butée technologique [10]. La Figure II-5 montre que quel que soit le mode d’endommagement d’engrenage plastique (statique, thermique, fatigue, ou usure) les dommages commencent souvent directement sur les surfaces en contact. Donc, la qualité des surfaces des dents d’engrenage en plastique est une priorité absolue, car toute imperfection peut être à l’origine d’usure dans ces composants critiques. Les sections qui suivent dans ce chapitre présentent les mécanismes de frottement et d’usure induits lors de l’engrènement ainsi que leur couplage avec les phénomènes thermomécaniques et pertes de couple. Il se termine par une revue des essais de frottement et d’usure utilisés pour les étudier

Circuit tribologique

La vitesse ou le taux d’usure des engrenages est un paramètre important qui doit être contrôlé afin d’améliorer la tenue en service de ces matériaux et la prévention d’entretien pour éviter les accidents catastrophiques causés par la détérioration de l’engrenage par la fatigue d’usure pendant le service. Les engrenages en polymères et en composites de polymères se brisent pendant le fonctionnement de plusieurs manières, notamment l’usure, la défaillance thermique, la fatigue à la racine et la ligne de tangage. Afin de tirer des conclusions significatives concernant les performances d’un matériau utilisé pour les engrenages en fonctionnement à sec, il est important de comprendre ses caractéristiques d’usure. De nombreuses méthodes ont été conçues pour mesurer les taux d’usure d’une large gamme de matériaux, en utilisant un certain nombre de géométries de contact et de configurations de test. Ces tests incluent des conditions de contact confonnes et non confonnes. Cependant, la grande majorité de ces tests expose l’éprouvette à un simple glissement, que le mouvement de glissement soit linéaire, alternatif ou rotatif. Le mouvement trouvé dans le contact des dents d’engrenage est une combinaison de glissement et de roulement dans des proportions variables lorsque l’angle d’attaque change.

La charge appliquée change également pendant le cycle d’engrènement, car elle est partagée par une nouvelle dent entrant dans l’engrènement, puis relâchée par une dent sortant d’engrènement. Ce cycle entraîne une charge nonnale maximale sur une plage d’angles d’attaque autour du point de tangage, la magnitude et la durée de cette charge maximale étant fonction de la géométrie[3]. Cet effet de répartition de la charge est encore compliqué par les modifications du rapport de contact, provoquées lorsque la flexibilité des dents pennet aux dents de rester en contact et donc de partager la charge pour des angles de rotation supérieurs à ceux prévus par la géométrie seule. Ces effets de flexibilité dépendent à la fois de la géométrie de la dent et du matériau de l’engrenage. Il est donc dangereux d’ utiliser les données provenant de simples tests d’usure, tels que le test broche sur disque, comme prédicteurs des perfonnances relatives des matériaux d’engrenage proposés. Il est encore plus dangereux de prévoir les taux d’usure des matériaux utilisés dans une géométrie d’engrenage particulière et soumis à des conditions de fonctionnement particulières à partir de telles données générales. Un moyen simple d’éviter ces écueils est de produire des engrenages constitués du matériau qui vous intéresse et de les tester dans des conditions de fonctionnement se rapprochant de celles attendues en service.

Cependant, cette approche, tout en incluant tous les aspects de la perfonnance matérielle intéressant le concepteur d’engrenages, superpose ces effets les uns aux autres, limitant ainsi la compréhension de chacun. La simulation des engrenages ne peut jamais être vraiment représentative, car les changements de vitesse’ de glissement, la flexibilité des dents et les différences dans les conditions thenniques rendent les conditions de contact très différentes. De plus, les taux de glissement dans les essais sur disque double tendent à être limités à environ 30%, alors que les taux de glissement supérieurs à 30% se retrouvent tout au long du cycle d’engrènement des engrenages. Néanmoins, les tests sur deux disques fournissent des informations fondamentales sur le comportement des matériaux lors de roulement / glissement sous contact non conforme. Elles doivent être considérées comme complétant les informations appliquées issues des essais à engrenages directs et contribuant à une compréhension plus fondamentale de la tribologie des polymères dans des conditions de roulement / glissement [32-34]. Les méthodes de mesure de frottement et de l’usure sont très variées, sont marquées par des essais permanents où l’usure des engrenages soit surveillée en permanence pendant le fonctionnement [35], l’évaluation de l’usure se fait par des mesures de perte en masse ou en épaisseur. L’usure peut être exprimée en pourcentage [36], en coefficient d’usure en g/MPa.m défini comme la perte en masse divisée par la pression de contact et la distance de glissement [37].