FILM LUBRIFIANT SOUMIS A UN CHARGEMENT PERIODIQUE.

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Les huiles sont largement utilisées sous forme de film mince dans les dispositifs mécaniques lubrifiés pour réduire l’usure due au frottement et créer un amortissement en vue de dissiper les vibrations mécaniques indésirables. L’équation générale de la mécanique des films minces visqueux permet, compte tenu de la géométrie et de la cinématique des surfaces qui forment le contact, de déterminer les caractéristiques de l’écoulement d’un film de faible épaisseur et en particulier sa capacité à empêcher le contact direct entre les solides. En 1886, O. Reynolds a proposé une forme simplifiée de cette équation bien adaptée aux problèmes de lubrification hydrodynamique et qui a été utilisée, dès le début du 20 siècle, pour le calcul des butées et des paliers.

Cette équation met en évidence trois mécanismes de génération de pression et donc de création de portance hydrodynamique en lubrification : l’effet du « coin d’huile », l’effet d’étirement et l’effet d’écrasement. La portance produite sous l’effet du coin d’huile peut être obtenue en créant un écoulement par une action de cisaillement du film entre deux surfaces non parallèles. La génération de pression par cet effet est le mécanisme le plus rencontré. En effet, les paliers et les butées hydrodynamiques représentent la grande majorité des applications où l’effet du « coin d’huile » génère une pression hydrodynamique capable de supporter les charges appliquées et d’éviter le contact direct entre les solides. La création d’un écoulement et la génération d’une portance par l’effet d’étirement nécessitent qu’une surface de contact se dilate ou se contracte à une vitesse variable. Quant à l’écoulement sous l’effet d’écrasement, il peut être provoqué par l’action d’une plaque supérieure exécutant, par rapport à une plaque inférieure fixe, un mouvement d’approche à une vitesse constante normale au contact lubrifié. Dans cette configuration, le film d’huile nécessite un certain temps pour être écrasé complètement. Une oscillation soutenue de la plaque supérieure autour d’une valeur moyenne assure la permanence du film. Ce concept est exploité dans les Amortisseurs à Film Fluide Ecrasé (AFFE) pour éliminer les vibrations et réduire le bruit des rotors. Dans les paliers soumis à un chargement dynamique tels que ceux de vilebrequin ou de bielles de moteurs thermiques, ce phénomène d’écrasement périodique de film contribue à l’augmentation de la portance hydrodynamique.

Les pressions et les portances générées par l’écrasement ou par le cisaillement d’un film fluide peuvent être identiques du moment que, dans l’équation de Reynolds qui régit le comportement du film, le terme d’écrasement et celui dû au coin d’huile sont de même ordre de grandeur. Dans des configurations géométriques et cinématiques typiques des surfaces en contact, la pression hydrodynamique peut atteindre un pic puis décroître jusqu’à une valeur inférieure à la pression ambiante. Ce niveau de chute de la pression peut entraîner le phénomène de rupture du film d’huile communément désigné par le vocable cavitation.

La rupture due à l’effet du cisaillement du film d’huile est bien identifiée. A titre d’exemple, les effets de cette rupture sur la performance et la stabilité des paliers soumis à un chargement statique sont maîtrisés et bien documentés dans la littérature. A contrario, la rupture produite par l’effet d’écrasement périodique du film d’huile est non encore bien maîtrisée. Dans les paliers hydrodynamiques de moteurs d’automobiles ou ceux d’AFFE de moteur de turbine d’avion, par exemple, cet effet consiste en des actions d’écrasement et d’arrachement alternées du film lubrifiant occasionnées respectivement par la fluctuation de la pression dans la chambre d’explosion ou par des déséquilibres dynamiques. Ces actions provoquent des changements temporels de l’épaisseur locale du film et peuvent conduire à une rupture non stationnaire (cavitation dynamique) qui peut occasionner des dommages sévères aux parois. Ce type de rupture du film liquide génère des formes beaucoup plus complexes non encore bien identifiées. De plus, l’étendue de la zone de rupture dite zone inactive conditionne la prédiction précise du frottement, de la portance hydrodynamique, du débit et de la température effective du film lubrifiant. Aussi, la délimitation précise des frontières de la zone de rupture et la prévision correcte de son évolution sont indispensables pour prédire avec précision les paramètres globaux de performance notamment le débit et la portance. Dans ce sens, plusieurs modèles qui entreprennent la détermination de la zone de rupture ont été proposés. A ce jour, les modèles qui utilisent la formulation d’Elrod basée sur la théorie JFO sont les plus répandus et semblent les mieux adaptés. Cependant, les études expérimentales réalisées notamment sur les paliers et les amortisseurs prouvent l’incapacité de ces modèles à reproduire fidèlement les formes de rupture observées et à prendre en compte la formation d’une mixture due en particulier à la pénétration de l’air ambiant. Ceci confirme la nécessité d’affiner davantage les modèles et de procéder à une validation expérimentale.

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