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Modélisation de contact et frottement entre pièces d'un assemblage

Transports

La modélisation de contact et frottement lors du mouvement de plusieurs pièces d’un système aide à voir l’influence des traitements de surface envisagés sur ces pièces. Ce type d’étude entre dans le cadre de la tribologie. Les contraintes et déformations mécaniques varient en fonction des traitements de surface. Sur le long terme, des défaillances plus ou moins graves peuvent survenir s’ils ne sont pas adaptés.

Dans le secteur des transports, les enjeux économiques mais surtout environnementaux restent liés à ces phénomènes de frottement. Par exemple, ils impactent directement le mécanisme de transmission d’un moteur à combustion et donc sa consommation.

Objectifs de la modélisation de contact et frottement

Dans cet exemple, on réalise un modèle pour étudier les contraintes mécaniques avec ou sans défaut sur la surface des pièces. On veut visualiser l’influence d’une rayure sur les contraintes de la couche du revêtement de surface et son substrat. Des essais sur pièces réelles ont montré des différences de comportement qui pourraient résulter de sur-contraintes locales. La modélisation du déplacement entre deux pièces, avec un algorithme de simulation de contact et friction non-linéaire, devrait permettre de reproduire ces différences.

L’hypothèse principale dans ce modèle est que la zone de contact dans le système axe/bielle simulé serait supposée plane sur une courte distance. L’axe (substrat en acier) a bénéficié d’un traitement de surface sur une couche mince de quelques microns. C’est cette couche précontrainte en compression qui sera en contact direct contre la bielle (en bronze).

La simulation se ferait pour différents cas de chargement de l’axe et régimes de lubrification (coefficients de frottement).

Résultat de la modélisation et informations obtenues

Parmi les nombreux résultats extraits sur toutes les configurations, on s’intéressa particulièrement au point juste sous le défaut. Proche de l’interface entre revêtement et substrat acier, il montrait un profil de contrainte croissant avec le déplacement horizontal.

Surtout, pour le cas avec défaut, le pic de sortie de contact se transformait en double pic de contraintes. Ainsi, cet effet de relaxation suivi d’une accumulation sur une distance très proche – correspondant à un temps très court dans la pièce réelle en rotation – pouvait expliquer une performance moindre du système avec défaut sur la durée. Et cela, malgré que le maximum de contrainte soit moins élevé que pour le cas sans défaut. En effet, si l’on considère cet assemblage en fonctionnement sur des millions de cycles, une étude en fatigue pourrait montrer l’impact de ce profil à double pic de contrainte. Le phénomène simulé restait d’autant plus prononcé que le régime de lubrification s’éloignait du régime mixte.

Cette modélisation a donc aidé le client à comprendre les différences de performances de son revêtement. Il a aussi pu visualiser l’influence des défauts de surface. Avec pour objectif suivant de quantifier et comparer les contraintes mécaniques pour d’autres types de défauts.

Schéma du système axe / bielle

L’image montre la réprésentation du contact entre un axe de piston et une bielle dans un mécanisme de transmission.

Schéma du contact plan

L’image représente l’hypothèse de déplacement plan sur la zone de contact du système.

Modélisation de contact et frottement | Contrainte

Cette image affiche la contrainte mécanique au point situé sous le défaut, pour les cas avec et sans défaut. On visualise bien le double pic en sortie de contact, en présence du défaut (courbe orange).

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