Études de surfaces texturées pour chemise moteur : Physico-chimie des tribofilms et lois de frottement associées

Study of textured surfaces for cylinder liner : physico-chemistry of tribofilms and associated friction laws

• Auteur / Autrice : Amal Hriouech
• Direction : Joël Perret-Liaudet, Maria Isabel De Barros Bouchet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 15/11/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Ville
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joël Perret-Liaudet, Maria Isabel De Barros Bouchet, Marie-Ange Bueno
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Noël Brunetière, Nicolas Peyret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Additifs

Frottement

Mots clés libres

Contact segment-piston-chemise

Surfaces texturées

Additifs

Frottement

Usure

Tribofilm

Analyse de surface

Tribomètre oscillant

Réponses dynamiques libres

Cylinder liner-piston-rings contact

Textured surfaces

Additives

Friction

Wear

Tribofilm

Surface analysis

Oscillating tribometer

Free dynamic responses

Résumé

Le contact segment-piston-chemise (SPC) est l’une des premières origines des pertes d'énergie mécanique par frottement dans les moteurs à combustion interne. Les performances tribologiques de ce composant dépendent des conditions du fonctionnement, de l'état des surfaces en contact et des propriétés des lubrifiants utilisés. Dans ce contexte, ce travail de thèse a pour objectif d’étudier l'effet conjoint de la texturation des chemises moteur utilisées dans le domaine automobile et des additifs de lubrification en régime limite/mixte sur le comportement tribologique du contact SPC (loi de frottement, formation de tribofilms, usure). Ce travail s'appuie sur la mise en œuvre de techniques expérimentales en tribométrie permettant d'évaluer le frottement et l'usure des échantillons provenant de chemises moteur réelles en présence de deux lubrifiants : une huile de base et une huile formulée, sous différentes conditions de température, pression et durées de fonctionnement. Les additifs dans les huiles formulées permettent de former un tribofilm réducteur de frottement et d’usure. La composition chimique de ce tribofilm est caractérisée par des techniques de spectroscopie (XPS, ToF-SIMS) et sa structure analysée par FIB, MET et EDX, permettant de comprendre les interactions physico-chimiques des additifs avec les surfaces. Les résultats montrent que la texturation des surfaces favorise la formation du tribofilm.Par ailleurs, on propose une approche nouvelle en tribométrie, mettant en œuvre un dispositif préexistant du laboratoire (tribomètre oscillant) et basée sur l’analyse de la réponse libre d'un oscillateur frottant. Cette technique non invasive permet d’appréhender les lois de frottement de manière originale en distinguant notamment les contributions dépendantes et indépendantes de la vitesse de glissement. La nouveauté de l’approche introduite consiste au suivi des réponses libres tout au long de la formation du tribofilm ainsi qu’au suivi des énergies dissipées en fonction des contributions susdites au frottement. Les résultats montrent que la diminution du coefficient de frottement induite par le tribofilm résulte de la diminution drastique de la seule contribution au frottement indépendante de la vitesse de glissement.

Cylinder liner-piston-rings contact is the major responsible of mechanical energy loss by friction in internal combustion engines. Tribological performance of this system depends on operating conditions, surface characteristics and properties of lubricants. In this context, the objective of this work is to study the mutual effect of textured surface of cylinder liner used in the automotive field and of lubricating additives on the tribological behavior of cylinder liner-piston-rings contact (friction law, tribofilm formation, wear) in boundary/mixed regime.This work is based on the implementation of experimental techniques of tribometry in order to evaluate friction and wear of samples extracted from real engine cylinder liners in the presence of two lubricants: base oil and formulated oil. Experiments are realised under different contact conditions such as temperature, pressure and operating duration. The additives contained in formulated lubricants react with surfaces and produce a tribofilm that eases the relative sliding of the surfaces in contact by reducing friction and wear.The chemical composition of these tribofilms is characterized by spectroscopy techniques (XPS, ToF-SIMS) and their structure analyzed by FIB, TEM and EDX, making it possible to understand the physicochemical interactions of additives with surfaces. The results show that textured surface favor tribofilm formation.Furthermore, a new experimental approach is proposed in tribometry by using an oscillating tribometer (innovative device developed at LTDS laboratory). This later is based on the analysis of free dynamic responses of a rubbing oscillator. This non-invasive technique makes it possible to apprehend the friction laws in an original way. It especially allows distinguishing velocity-dependent and velocity-independent friction contributions. The originality of the introduced approach consists in following free dynamic responses as a tribofilm gradually forms, as well as quantifying dissipated energy as a function of the aforementioned friction contributions. The results show that the reduction of friction coefficient induced by tribofilm results from the drastic reduction of the velocity-independent friction contribution.