La simulation pour faciliter la recherche en tribologie

Des chercheurs du Centre de recherche sur les engrenages (FZG), à l’Université technique de Munich (TUM), en Allemagne, ont intégré leur modèle multiphysique dans une appli pour la simulation de contacts d’engrenages à lubrification élastohydrodynamique thermique (TEHL). Leur histoire est une leçon pour aborder des problématiques multiphysiques complexes, qui couplent mécanique des structures, transfert de chaleur et écoulement.

L’élastolubrification hydrodynamique (EHL) décrit le couplage entre les déformations de deux surfaces de contact, comme dans les roulements et les engrenages, et l’hydrodynamique du film de lubrifiant, qui permet la séparation des deux surfaces. Si l’on considère les effets thermiques, le problème est appelé EHL thermique (TEHL). L’épaisseur du film de lubrifiant est habituellement de l’ordre de quelques microns ou moins, mais c’est suffisant pour assurer un frottement et une usure faibles. La compréhension détaillée des mécanismes de TEHL par la simulation contribue à améliorer la densité de puissance, l’efficacité et le comportement bruit-vibration-dureté (NVH) des systèmes d’entraînement.
Avec des films lubrifiants et des déformations des corps solides, qui se mesurent en micron, toute tentative d’en savoir plus sur la TEHL, en plaçant un capteur dans la région de contact est extrêmement difficile. « L’épaisseur du film de lubrifiant entre deux surfaces d’engrenage est de l’ordre du micron, ce qui équivaut à environ un dixième du diamètre d’un cheveu humain. Des pressions de contact typiques allant jusqu’à 2 GPa correspondent au poids d’environ 30 voitures de tourisme sur la taille d’un ongle de pouce », explique Thomas Lohner, chef du département EHL-tribological-contact and efficiency au FZG.

Du modèle à l’appli

Lohner et son équipe ont construit une application basée sur une méthode de résolution publiée par le professeur Wassim Habchi, de l’Université libano-américaine, située à Byblos, au Liban. « Nous avons implémenté la solution en utilisant le logiciel Comsol Multiphysics, que nous avons trouvé très pratique », explique M. Lohner. « Ce logiciel nous a permis de modifier l’équation de Reynolds, utilisée pour modéliser les écoulements dans les films minces, comme nous le souhaitions et de la coupler avec d’autres physiques pour créer notre modèle mathématique TEHL, ajoute-t-il. Le point fort de Comsol est de pouvoir coupler différentes physiques et équations et cela nous a bien servi. »
Avec l’application Builder, disponible dans le logiciel, M. Lohner et son équipe ont créé une appli de simulation appelée « TriboMesh », qui a rendu leur travail encore plus simple à utiliser par certains de leurs collègues au sein du centre de recherche. À l’avenir, l’appli sera également disponible pour les collaborateurs et les partenaires de projet, via le produit Comsol Server, qui permet aux utilisateurs d’exécuter les applis via un navigateur Web.
L’appli permet par exemple de comprendre comment un revêtement de carbone de type diamant (DLC) améliore l’efficacité des engrenages. « Nous avons mené des expériences de banc d’essai qui ont montré que le coefficient de frottement est beaucoup plus faible pour les engrenages revêtus de DLC que pour les engrenages non revêtus », explique Thomas Lohner. Mais pour quelle raison ? Le revêtement est sur la surface, alors comment pourrait-il avoir un effet sur le lubrifiant ? L’utilisation de leur appli avec toutes les données du banc d’essai a montré que le revêtement DLC piège la chaleur dans le contact TEHL, ce qui réduit la viscosité du lubrifiant et diminue le frottement.