Tribologie/Facteurs de frottement
Définitions
[modifier | modifier le wikicode]Les facteurs de frottement et d'adhérence (on dit aussi coefficients de frottement et d'adhérence) sont définis dans ce chapitre du livre.
Lorsque des efforts normaux sont transmis d'un corps à un autre essentiellement par des contacts d'aspérités, les facteurs de frottement varient typiquement de un à quelques dixièmes mais il existe beaucoup d'exceptions. Certains couples de matériaux permettent en effet d'obtenir des valeurs inhabituellement faibles, de l'ordre de quelques centièmes, tandis que d'autres procurent des valeurs beaucoup plus élevées, proches de l'unité ou même supérieures à un, en particulier dans des systèmes « fermés ». Les valeurs qui figurent dans le tableau ci-dessous relèvent de ces situations.
Les efforts normaux peuvent aussi être transmis par des couches fluides mises sous pression et cisaillées lors du mouvement. Toute adhérence disparaît alors et les valeurs du coefficient de frottement ne dépendent plus de la nature des matériaux en présence mais d'autres paramètres comme la vitesse, la pression, la viscosité et l'épaisseur de la couche fluide. Les valeurs varient alors de quelques millièmes à l'infini, puisque la déformation du fluide peut engendrer des efforts tangentiels sans que le moindre effort normal soit transmis. Ces coefficients de frottement n'ont pas leur place dans ce chapitre, leur étude relève de la technologie des guidages lisses.
Il en va de même pour les coefficients de frottement de roulement qui, rappelons-le, sont des longueurs.
Notations
[modifier | modifier le wikicode]D'une manière générale il est préférable d'utiliser la lettre f plutôt que la lettre µ pour désigner les facteurs de frottement. En effet, dans les systèmes faisant intervenir des fluides, µ représente la viscosité dynamique et il convient d'éviter tout mélange des genres...
Gamme de variation
[modifier | modifier le wikicode]Le facteur de frottement est une grandeur qui varie très fortement en fonction de très nombreux paramètres : état de surface et lubrification évidemment, mais aussi vitesse, pression, temps de maintien en charge, etc. On relève les ordres de grandeur suivants :
| plus de 1 | pour des surfaces dégazées dans le vide, avec parfois soudure immédiate |
| 0,3 à 1 | pour le frottement de deux métaux non préparés dans l'air, à sec |
| 0,1 à 0,2 | pour la plupart des métaux dans l'air avec les lubrifiants usuels (huile) dans le cas de la lubrification onctueuse |
| 0,05 à 0,1 | pour des surfaces préparées convenablement, lubrifiées avec du graphite, du bisulfure de molybdène ou certains acides gras |
| 0,02 à 0,05 | pour le frottement sur la glace, pour le PTFE sur lui-même sous charge suffisante à faible vitesse |
| 0,01 à 0,001 | pour les paliers lisses en régime hydrodynamique bien calculés, en l'absence de tout contact solide (par exemple, dans les anciens essieux de wagons) |
| 0,0001 | ou moins pour les guidages hydrostatiques ou aérostatiques |
| 0,00001 | ou moins encore pour les paliers magnétiques actifs |
| Dans ces deux derniers cas, le bilan énergétique global doit toutefois tenir compte de la puissance nécessaire à l'alimentation du palier en fluide sous pression ou en électricité | |
Valeurs numériques indicatives
[modifier | modifier le wikicode]Les valeurs qui suivent sont des ordres de grandeur donnés à titre purement indicatif. Du reste dans les documentations techniques on trouve souvent des données très divergentes.
| couple de matériaux | facteur d'adhérence | facteur de frottement | ||||
| à sec | limite | onctueux | à sec | limite | onctueux | |
| acier doux sur | ||||||
| acier doux (air sec) | 1,2 | 1,2 | ||||
| acier doux (vapeur d'eau) | 1,2 | |||||
| à sec | limite | onctueux | à sec | limite | onctueux | |
| acier mi-dur sur | ||||||
| acier mi-dur | 0,3 | 0,2 | 0,17 | 0,11 | ||
| acier trempé | 0,2 | 0,17 | 0,14 | 0,17 | 0,15 | 0,1 |
| acier, boulonnerie | 0,28 à 0,43 | |||||
| acier, frettage par pression d'huile | 0,12 | |||||
| acier, frettage par pression de glycérine | 0,18 | |||||
| acier, frettage à chaud | 0,14 | |||||
| id., surfaces dégraissées | 0,2 | |||||
| alliages de WOOD | 0,7 | 0,1 | ||||
| aluminium (alliages) | 0,16 | 0,12 | 0,08 | |||
| antifriction base étain | 0,25 | 0,8 | 0,20 | 0,11 | ||
| antifriction base plomb | 0,25 | 0,55 | 0,10 à 0,08 | |||
| bisulfure de molybdène | ||||||
| 70 MPa | 0,07 | |||||
| 350 MPa | 0,05 | |||||
| 1 400 MPa | 0,045 | |||||
| 2 800 MPa | 0,023 | |||||
| Le facteur de frottement est moins élevé en ambiance sèche Dans les huiles de viscosité moyenne, 1 % de bisulfure de molybdène peut diviser f par 2 | ||||||
| acier mi-dur (suite) sur | ||||||
| bronze | 0,35 | 0,18 | 0,1 | 0,3 | 0,1 | 0,08 |
| caoutchouc | 1 à 4 | |||||
| carbure de tungstène | 0,5 | 0,15 | ||||
| chlorure de polyvinyle | 0,5 | |||||
| cuir | 0,18 à 0,35 | 0,12 à 0,18 | ||||
| cupro-plomb | 0,2 | 0,2 | 0,12 | 0,08 | ||
| fonte | 0,4 | 0,18 | 0,1 | 0,4 | 0,05 à 0,1 | |
| graphite | 0,1 | |||||
| indium en film mince | 0,08 | |||||
| nickel (aboutit au grippage) | 0,6 à 0,8 | |||||
| nylon | 0,3 | |||||
| polyméthacrylate de méthyle | 0,45 | |||||
| polystyrène | 0,5 | |||||
| P.T.F.E. | 0,05 | |||||
| à sec | limite | onctueux | à sec | limite | onctueux | |
| acier inoxydable sur | ||||||
| alliage léger traité Zinal | 0,2 | |||||
| aluminium sur | ||||||
| aluminium (air sec) | 1,9 | |||||
| aluminium (vapeur d'eau) | 1,1 | |||||
| antifriction sur | ||||||
| antifriction | 0,54 | 0,19 | ||||
| bois sur | ||||||
| métal | 0,6 à 0,7 | 0,12 | 0,4 à 0,5 | 0,1 | ||
| bronze sur | ||||||
| bronze | 0,2 | |||||
| fonte | 0,21 | |||||
| carbure de tungstène sur | ||||||
| lui-même, propre | 0,2 | |||||
| chrome dur sur | ||||||
| acier | 0,17 | 0,16 | ||||
| antifriction | 0,15 | 0,13 | ||||
| chrome | 0,14 | 0,12 | ||||
| Le chrome diminue le pouvoir mouillant des huiles par rapport à l'acier. Il est utilisable avec une lubrification à l'eau en face du cuir, des plastiques et des élastomères. | ||||||
| à sec | limite | onctueux | à sec | limite | onctueux | |
| courroies | ||||||
| caoutchouc sur fonte | 0,4 à 0,5 | |||||
| textile sur fonte | 0,3 à 0,5 | |||||
| fer sur | ||||||
| fer | 0,4 | |||||
| fonte sur | ||||||
| cuir | 0,18 à 0,35 | 0,12 à 0,18 | ||||
| fonte | 1,2 | 0,16 | 0,14 | 0,12 | 0,05 à 0,1 | |
| P.T.F.E. voir acier | ||||||
| garnitures de freins ou d'embrayages sur |
||||||
| acier | 0,25 à 0,35 | |||||
| glace ou neige sur | ||||||
| glace ou métaux jusqu'à -30°C | 0,02 à 0,03 | |||||
| Le coefficient très bas est attribué à la fusion provoquée par le frottement. Ce dernier est en revanche très difficile en-dessous de - 30 à - 40 °C, le coefficient atteint alors 0,4. On explique ainsi des accidents d'avion montés sur skis atterrissant sur la banquise. | ||||||
| à sec | limite | onctueux | à sec | limite | onctueux | |
| graphite sur | ||||||
| graphite | 0,2 | |||||
| Nylon sur | ||||||
| nylon | 0,5 | 0,5 | ||||
| caoutchouc sur | ||||||
| verre sec | jusqu'à 2 | |||||
| pneumatiques sur | ||||||
| chaussée sèche | 0,6 à 0,8 | |||||
| chaussée mouillée (hors aquaplaning) | 0,3 à 0,4 | |||||
| saphir ou rubis sur | ||||||
| saphir | 0,2 | |||||
| acier | 0,15 | |||||
| si nettoyage sous vide | 0,6 | |||||
| roues | ||||||
| Le frottement de roulement s'exprime par un moment M proportionnel à la charge N supportée par la roue et à une distance d qui constitue le coefficient de frottement de roulement. M = d x N, avec d de 6 à 8 mm pour des roues d'automobiles, 1 à 2 mm pour une roue de wagon, 0,497 mm pour les pneus Michelin utilisés à l'éco-marathon Shell. | ||||||