Frottement et coefficient de frottement - Détermination des valeurs de frottement des matériaux

Le coefficient de frottement est une variable physique dérivée du domaine de la tribologie qui caractérise le frottement entre deux objets. Le coefficient de frottement définit la force qui se produit pendant la friction (force de frottement) par rapport à la force avec laquelle les objets sont pressés ensemble (force de pression). Le coefficient de frottement est donc un paramètre important lors de l’examen des propriétés d’usure et de glissement du matériau. Cet article explique les bases du coefficient de frottement, ses méthodes de mesure et ses applications dans la technologie.

Qu’est-ce que le frottement sec ?

Le frottement général est la résistance entre deux surfaces solides et retarde le mouvement relatif dans la direction opposée.

Le frottement sec est un type de frottement spécial qui se produit en l’absence de lubrifiant ou de liquide entre les surfaces. Le frottement sec dépend en grande partie de la rugosité des surfaces de contact.

Lorsque des liquides ou des lubrifiants jouent un rôle, on parle de frottement fluide ou liquide. Dans d’autres milieux (par exemple, l’air ou l’eau), on parle cependant de frottement de l’air ou de frottement du débit.

Le frottement peut être observé dans de nombreuses applications et situations industrielles, comme lorsqu’on visse d’une vis dans un filetage interne. Ou lorsque les écrous filetés se déplacent le long d’un entraînement à vis (par ex. dans l’impression 3D). L’objectif est généralement de minimiser le frottement et donc d’augmenter la résistance à l’usure du système.

Types de frottements secs

Le frottement sec peut être divisé en deux catégories :

• Frottement statique : Le frottement statique se produit lorsque les deux surfaces sont en contact mais n’ont pas encore été déplacées l’une contre l’autre.
• Frottement dynamique : Le frottement dynamique se produit lorsqu’une force externe est suffisamment importante pour initier un mouvement entre deux surfaces.

Ces deux catégories de frottement sec présentent un comportement différent.

Frottement statique

Le frottement statique (également appelée frottement adhésif) se produit lorsque la force appliquée n’est pas suffisante pour initier le mouvement et que l’objet reste statique ou en équilibre.

Calcul de la force de frottement statique

Le coefficient de frottement statique (μ_s) décrit le rapport entre la force normale (F_N) et la force de réaction ou le frottement adhésif (F_H) résultant avant le début du mouvement, c’est-à-dire en position de repos :

Les éléments suivants s’appliquent à la force normale dans le plan incliné avec un angle de frottement :

Les éléments suivants s’appliquent à la force normale dans le plan sans angle de frottement :

Le coefficient de frottement est toujours sans unité et est déterminé expérimentalement. Dans la plupart des cas, les coefficients de frottement de divers appariements de matériaux (par ex. acier sur acier) ont déjà été déterminés et figurent dans la littérature spécialisée pertinente - voir également « Matériaux et tableau avec coefficients de frottement ».

Frottement dynamique

Le frottement dynamique (également appelé frottement cinétique) se produit lorsque la force appliquée est suffisante pour mettre l’objet en mouvement.

Calcul de la force de frottement dynamique

Le coefficient de frottement dynamique (μ_d) décrit le rapport entre la force de frottement (F_R) et la force normale (F_N) pendant le mouvement entre les surfaces :

Les éléments suivants s’appliquent à la force normale dans le plan incliné avec un angle de frottement :

Les éléments suivants s’appliquent à la force normale dans le plan sans angle de frottement :

Le coefficient de frottement est toujours sans unité et est déterminé expérimentalement. Dans la plupart des cas, les coefficients de frottement de divers appariements de matériaux (par ex. acier sur acier) ont déjà été déterminés et figurent dans la littérature spécialisée pertinente - voir également « Matériaux et tableau avec coefficients de frottement ».

Détermination expérimentale des coefficients de frottement et des valeurs de frottement

Les coefficients de frottement pour le frottement statique et le frottement dynamique doivent être déterminés de manière expérimentale, car ils dépendent de divers facteurs tels que la texture et la rugosité de la surface, la vitesse du mouvement et les conditions environnementales.

La détermination expérimentale des coefficients de frottement et des valeurs de frottement nécessite la réalisation de tests de frottement précis dans des conditions contrôlées.

• Concevoir une configuration de test appropriée qui permet à deux échantillons ou surfaces de matériau de se frotter les uns contre les autres. La configuration doit permettre l’application d’une force ou d’un poids externe pour initier le frottement et contrôler le mouvement.
• Sélectionnez les matériaux pour lesquels vous souhaitez déterminer le coefficient de frottement et vérifiez que les surfaces sont propres et exemptes de contamination. Les surfaces doivent décrire de façon représentative les conditions d’application réelles.
• Préparez soigneusement les surfaces des échantillons de matériau pour minimiser les irrégularités dues à la contamination. Les surfaces propres contribuent à des résultats reproductibles.
• Vérifiez les conditions ambiantes et maintenez-les constantes à chaque test effectué. Effectuez les tests dans un environnement contrôlable dans lequel ils peuvent conserver constants autant de facteurs environnementaux que possible. Cela affecte principalement la pression atmosphérique (ΔP constant), la température (ΔT constant) et l’humidité.
• Effectuez les tests de frottement. Mesurez les forces appliquées et les forces de réaction ou de frottement résultantes pendant le mouvement ou lorsque vous essayez d’initier le mouvement.
• Répétez les tests de frottement plusieurs fois pour obtenir des données significatives.
• Calculez les coefficients de frottement (μ_s et μ_d) en fonction des données mesurées. Utilisez les formules appropriées pour calculer les coefficients de frottement ou pour déterminer les valeurs de frottement pour la combinaison de matériaux sélectionnée. Prenez également note des conditions environnementales.

Pendant le test, mesurez les forces suivantes :

• Mesurez la force de frottement statique sur le dynamomètre à ressort peu avant la mise en mouvement de l’objet.
• Mesurez la force de frottement de glissement sur le dynamomètre à ressort pendant que l’objet est en mouvement.

Calculez ensuite les coefficients de frottement :

La précision et la sensibilité des mesures sont déterminantes pour obtenir des données précises. Les coefficients de frottement déterminés peuvent dépendre largement des conditions d’application spécifiques.

La détermination expérimentale des valeurs de frottement peut être longue et coûteuse. Néanmoins, il est essentiel d’améliorer la compréhension des propriétés de frottement des matériaux et de développer des applications techniques efficaces. Une planification minutieuse, une exécution précise et une évaluation statistique sont nécessaires pour obtenir des résultats précis et fiables.

Importance du frottement dans les applications industrielles

Le frottement joue un rôle central dans une variété d’applications industrielles et est un phénomène physique fondamental qui, non seulement, apporte des avantages, mais aussi des inconvénients.

Dans de nombreux systèmes techniques, tels que les moteurs, les engrenages ou les roulements, il est nécessaire de contrôler ou de minimiser le frottement pour réduire les pertes d’énergie et l’usure et améliorer l’efficacité.

• Systèmes de contrôle du mouvement et de freinage : Le frottement est utilisé dans les systèmes de freinage pour contrôler et ralentir le mouvement des machines. L’exploitation ciblée des propriétés de frottement permet un contrôle et une sécurité précis.
• Frottement et stabilité des adhésifs : Dans de nombreuses applications, comme la position debout sur une surface inclinée, le frottement statique est crucial pour garantir la stabilité et empêcher le glissement.
• Usure des matériaux et durée de vie : Le frottement peut provoquer une usure du matériau, ce qui peut réduire la durée de vie des composants. Il est important de comprendre les propriétés de frottement pour minimiser l’usure et maximiser la durée de vie des composants.
• Matériau sélectionnable : La connaissance des propriétés de frottement des matériaux est cruciale lors de la sélection des matériaux pour des applications spécifiques. Les valeurs de frottement doivent être prises en compte afin de sélectionner des combinaisons de matériaux optimales à des fins spécifiques.
• Lubrification : Une lubrification efficace est essentielle pour réduire le frottement et l’usure dans de nombreux systèmes mécaniques et prolonger leur durée de vie.

Impact des frottements sur l’usure

La plupart des applications industrielles ont les objectifs suivants :

• minimiser l’usure
• maximiser l’efficacité du système
• maximiser la durée de vie du système

Le frottement, la lubrification, la rugosité et l’usure forment un système dynamique et mutuellement dépendant.

Le contexte scientifique du frottement et de l’usure est étudié en tribologie, la science de la friction, de la lubrification et de l’usure des composants. Toutes les applications industrielles, où les composants mécaniques fonctionnent ensemble ou se rencontrent, peuvent être considérées comme un système dit tribologique.

Il faut prendre en compte les interactions mutuelles, notamment dans les applications à long terme :

• La température et d’autres conditions environnementales peuvent affecter les propriétés de frottement. À des températures plus élevées, les matériaux peuvent s’assouplir, ce qui peut entraîner une modification du frottement. D’autre part, une température élevée peut également entraîner une défaillance du lubrifiant ou une usure accrue.
• L’usure des surfaces de contact (par ex. abrasion) peut influencer les propriétés de frottement à long terme. Si le matériau s’use ou se détache des surfaces de contact, cela peut entraîner une modification des facteurs de frottement. L’usure accrue peut également entraîner un frottement accru et une détérioration des performances.
• La lubrification, que ce soit sous forme de liquides ou de solides, joue un rôle important dans l’influence du frottement. Une lubrification adaptée peut réduire le frottement et minimiser l’usure. Cependant, une mauvaise lubrification ou un manque de lubrification peut entraîner une augmentation du frottement et de l’usure.

Dans toutes les applications industrielles, il est important de tenir compte des interactions et d’effectuer des contrôles d’usure réguliers.

Mesures permettant d’augmenter le frottement

Dans certaines applications industrielles, il peut être important d’augmenter le frottement entre les composants. Par exemple, pour éviter le desserrage des raccords à vis.

Pour augmenter le frottement, les mesures suivantes sont mises en place, par exemple :

• Augmenter la rugosité de la surface : Une surface plus rugueuse permet d’augmenter le frottement. IL est possible d’augmenter la rugosité par le sablage (par ex. le décapage à la brosse) qui permet de modifier directement la surface. Une autre option est le traitement de surface, dans lequel un revêtement est appliqué sur le matériau de base, par exemple par galvanisation à chaud.
• Utilisation d’additifs de frottement : Des additifs peuvent être ajoutés à certaines huiles pour machines pour augmenter le frottement.
• Utilisation d’adhésifs ou de patins : L’application d’adhésifs ou de patins peut augmenter le frottement. Le ruban Teflon ou le fluide frein pour filets conviennent par exemple aux raccords à vis. Ces agents peuvent également avoir un effet d’étanchéité.

Matériaux et table avec coefficients de frottement

Vous trouverez ci-dessous un aperçu des coefficients de frottement secs des appariements de matériaux typiques.