Etude tribo-fonctionnelle des textures bas frottement des cylindres de moteurs générées par le procédé de rodage

par Mohammed Yousfi

Thèse de doctorat en Génie mécanique - procédés de fabrication

Soutenue le 11-12-2014

à Paris, ENSAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Mechanics surfaces and materials processing (laboratoire) et de Mechanics surfaces and materials processing (laboratoire) .

Le président du jury était Hassan Zahouani.

Le jury était composé de Mohamed El Mansori, Sabeur Mezghani, Ibrahim Demirci, Leila Sabri zemmahi.

Les rapporteurs étaient Bengt-Göran Rosen, Benyebka BOU SAïD.


  • Résumé

    Le rodage mécanique demeure encore le procédé industriel de référence pour la finition des cylindres de moteurs dans le cadre des productions de grande série. La voie actuelle de fabrication en rodage procède par frottement et abrasion à vitesse réduite pour imprimer une texture anisotrope et multi-échelle sur la surface du cylindre. La signature de cette texture a la particularité de satisfaire des exigences multifonctionnelles du cylindre (frottement, lubrification, usure, consommation d'huile, etc.). Elle est cependant générée par un rodage stratifié en production industrielle qui consiste en trois étapes successives avec effet d'échelle: ébauche (échelle macroscopique), finition (échelle mésoscopique) et superfinition (échelle microscopique). Plusieurs méthodes de rodage ont émergé cette dernière décennie et dont la différentiation technologique et économique se fait essentiellement par le choix des attributs texturaux et topographiques de surface de rodage. La présente étude analyse les processus de rodage industriel, du choix d'anisotropie possibles et paramètres texturaux dans une optique de fonctionnalisation de la surface rodée du cylindre. Une approche méthodologique sur la tribo-fonctionnalité multi-échelle de la surface de rodage du cylindre a été développée, puis validée par simulation numérique dans le cas du tribo-contact segment-cylindre. Elle s'appuie sur le triptyque suivant :- le couplage entre le processus de rodage et la fonctionnalité via la caractérisation de sa signature texturale multi-échelle,- l'exploitation de l'anisotropie contrôlée par simulation numérique qui conduit à la texture de fonction,- l'interaction surface – procédé de rodage qui devient indissociable, notamment dans la fabrication de la texture de fonction et sa qualification tribo-fonctionnelle par des essais tribométriques.Cette démarche méthodologique a été appliquée aux procédés de rodage industriel tel que le rodage plateau (PH), glissant (SH) et hélico-glissant (HSH). Cela a permis de démontrer qu'une texture anisotrope fine de type PH composée de plateaux et vallées de faible amplitude présente les meilleurs attributs fonctionnelles en frottement. Cependant, une texture anisotrope de type HSH avec un angle de striation de 130° est moins sensible en frottement à l'aspect plateau obtenu par écrêtage des pics de rugosité. Ce résultat ouvre une évolution potentielle du process HSH où la dernière étape de rodage peut être réduite voire supprimée. Par la suite, la démarche développée a été étendue aux textures innovantes à bas frottement de rodage en développement avec une anisotropie circulaire, ondulatoire, stratifiée mixte, ou assistée en trajectoire. Les résultats ont montré que des textures HSH optimisées en trajectoire (avec suppression de stries d'inversion au niveau des points mort haut (PMH) et point mort bas (PMB) du cylindre) ainsi que des textures stratifiées mixtes 45°-130°-45° (stries à 45° au PMB et PMH et 130° au milieu du cylindre) permettent une réduction significative du frottement segment-fût en régime de lubrification mixte en comparaison par rapport au texture de rodage HSH conventionnel.

  • Titre traduit

    Tribofunctional study of low-friction engine liner textures generated by honing process


  • Résumé

    Mechanical honing process is still the reference industrial process for high production engine liners. The current manufacturing way use reduced velocity friction and abrasion mechanisms to print a multiscale and anisotropic texture on the liner surface. The texture signature characteristics satisfy multifunctional requirements of the liner (friction, lubrication, wear, oil consumption etc.). It is generated by a stratified honing process for industrial production which consists of three stages with scale effect: rough (macroscopic scale), finish (mesoscopic scale) and super-finish honing (microscopic scale). Different honing methods emerged during last decade in which the technological and economic differentiation is essentially based on textural attributes of honed surfaces. The present study analyses the industrial honing processes, the possible surface anisotropy choices and texture parameters with a view to honed liner surface functionalisation. A methodological approach about multiscale honed surface tribofunctionality has been developed and then validated by numerical simulation in the case of ring-liner tribocontact. It builds on the following triptych:- the coupling between honing process and functionality through its multiscal textural signature,- the exploitation of the controlled anisotropy by numerical simulation which conducts to fonctionality,- the surface-process interaction which becomes indivisible, particularly in texture manufacturing and its tribofunctional qualification though tribometric trials.The methodology has been applied to industrial honing processes (plateau honing (PH), slide honing (SH) and helical slide honing (HSH)). The results show that smooth texture with lower plateau roughness and valley depth contributes to reduce frictional performances of honed surfaces. Nevertheless, Helical slide honed surfaces are less sensitive in friction to the plateaudness i.e., to superficial roughness comparatively to PH textures. This is promising for HSH process optimization, in which the third stage can be reduced or deleted. Then the developed approach has been extended to honing development for innovative texture anisotropy (circular, undulatory, mixed, trajectory assisted) for low-friction performances. The results show that assisted trajectory (without inversion grooves at top dead (TDC) and bottom dead centers (BDC)) and 45-130-45 mixed textures (with 45° cross-hatched grooves at TDC and BDC, 130° cross-hatched grooves at mid-height) enhance significantly frictional performances in comparison to HSH conventional process.


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