Contribution à l'étude du comportement tribologique de matériaux carbonés pour applications électriques

• Auteur / Autrice : Pierre-Henri Cornuault
• Direction : Philippe Kapsa, Stéphane Benayoun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usure (mécanique)

Carbone -- Composés

Tribologie (technologie)

Résumé

Une pompe de gavage est un organe auxiliaire d'automobile assurant le transfert du carburant situé dans le réservoir vers les systèmes d'injection du moteur thermique. Ce système est principalement constitué d'un moteur électrique à courant continu dans lequel la circulation du courant entre ses parties fixes et mobiles est assurée par des contacts électromécaniques glissants. Il s'agit de contacts { balai - collecteur } carbonés, qui présentent ici la particularité d'être immergés dans un carburant, et dont l'usure gouverne la durée de vie de la pompe de gavage. Cette étude apporte donc une contribution à la compréhension du comportement tribologique des contacts {balai -collecteur} en milieu carburant en vue d'une amélioration de la durée de vie des pompes. Un tribomètre spécifique a été développé afin de solliciter les contacts carbonés dans des conditions cinématiques, mécaniques, électriques et physico-chimiques très semblables à celles rencontrées sur l'application visée, tout en effectuant des mesures simultanées d'usure, d'efforts de frottement et de résistance de contact. Face à la miniaturisation des pompes ainsi qu'à la recherche de méthodes de mise en oeuvre moins coûteuses, de nouvelles nuances de matériaux carbonés comprenant une phase organique sont développées. Après avoir caractérisé structurellement, mécaniquement et électriquement ces nouvelles nuances en les comparant à des nuances plus classiques, leur comportement tribologique est étudié à l'aide du tribomètre développé. Pour ces matériaux, les expériences menées permettent de conclure quant à la prépondérance d'une usure d'origine électrique, linéaire en fonction de la distance de glissement dans des conditions de contact données, et qui est d'autant plus grande que la pression de contact est faible ou que le courant électrique est intense. Le développement d'un modèle semi-empirique de conduction spécule quant à l'existence d'un grand nombre de spots de contact micrométriques qui se déforment élastiquement, mais cette description de l'interface de contact est en désaccord avec les endommagements observés: cratères, stries profondes, film de graphènes cisaillé. La source principale d'usure est issue d'événements qui ne reflètent pas le régime de conduction électrique et que nous identifions comme étant des micro-arcs, d'autant plus fréquents que l'intensité du courant est grande ou que la pression de contact est faible. Des essais d'arcs en statique aboutissent à des endommagements des matériaux de deux types (cratère ou bien îlot) qui sont largement plus volumineux dans le cas des nouvelles nuances en raison de l'existence de la phase organique. In fine, un modèle quantitatif d'usure induite par les micro-arcs permet de retrouver les usures calculées après essai avec une assez bonne précision, les variations observées entre le modèle et l'expérience pouvant s'expliquer par un phénomène d'adhésion-transfert de certains débris dans le contact

A fuel-pump is an automotive part providing fuel transfer from the tank to the engine's injectors. This system is mainly constituted of a DC motor in which current flow between fixed and moving parts is realized by electromechanical sliding contacts. Those wearing contacts are { brush - collector } systems and limit the fuel pump lifetime. Moreover, they are made from carbonaceous materials and have the peculiarity to be totally immersed in a fuel. This study is also a contribution to the tribological behaviour understanding of { brush- collector} contacts in fuel environment in order to enhance fuel pumps lifetime. A specifie tribometer had been designed in order to allow kinematical, mechanical, electrical and physicochemical solicitations which are nearly the same than those encountered in the real application, making in the same time simultaneous measurements of wear, friction forces and electrical contact resistance. Due to fuel pumps miniaturisation and machining process cost reduction, new carbonaceous material grades containing an organic phase are developed. Comparison between classical materials and newly developed material grades is done characterizing their microstructure and their mechanical and electrical properties. Then, tribological behaviour of those materials is achieved using the specifie tribometer developed. Experiments show that the newly material grades wear is proportional to the sliding distance when contact conditions are established, and that the electrical part of the wearing process is significantly dominating. A semi-empirical model of conduction has been realised and tends to assume that the contact interface is composed of a very large number of micrometrie spots which are elastically deformed during friction, but this description is not relevant with the damages observed : craters, striped surfaces and micrometrie graphite films. It means that the principal wear mechanism cornes from physical events which are not reflecting the conduction state. Those events are micro-arcs which are more and more frequent when the current intensity increases or when the apparent applied pressure decreases. Static arcing tests have been done and induce two types of damage (craters or protrusions) which are significantly bigger for newly developed materials because of the organic phase. Finally, a quantitative model of wear induced by micro-arcs has been realized and fits the calculated wear coming from experiments with a good accuracy. Fluctuations between the model and experiments could be explained by the fact that sorne wear debris are re-introduced into the contact. .