UPThèses

Ce mémoire s'inscrit dans l'étude du comportement tribologique d'un couple de matériaux ferromagnétique acier XC48 en contact mécanique et magnétique à sec. Le but consiste à identifier les effets liés à la présence ou à l'absence d’un champ magnétique au niveau de l'interface de contact statique et de contact glissant. La première étape a été d'établir des équations de contraintes qui régissent la réponse linéaire, ponctuelle et surfacique des solides sous chargements donnés, en utilisant des modèles développés dans la théorie d'élasticité. Elles ont ensuite été simulées sous Mathématica pour obtenir des résultats analytiques des champs de contraintes en sub-surfaces. Dans la deuxième étape, des essais par contact sec effectués au moyen d'un tribomètre du type pion-disque nous révèlent une augmentation du coefficient de frottement avec le champ magnétique sur le tribocontact. L'analyse en diffraction des rayons X montre que les débris d'usures lors des essais avec champ magnétique comportent la présence d'oxyde de fer. La caractérisation en microscopie électronique à balayage et en profilométrie du matériau usé met en évidence l'état de la sub-surface avec modification de la structure des grains et une présence d'usure douce due aux essais avec champ magnétique. La mesure en photoélasticimétrie montre l'influence du champ magnétique sur les champs de contraintes. En faisant varier les paramètres cinématiques de l'essai sur notre modèle numérique, nous observons une augmentation des champs contraintes. Ces paramètres mécaniques, magnétiques et physico-chimiques sont complexes et l'étude contribue à comprendre ces problématiques liées au frottement sec.

Les contraintes législatives, environnementales et économiques poussent les constructeurs automobiles à envisager toutes les solutions possibles pour optimiser au mieux la consommation de carburant des véhicules. La récupération d'énergie à l'échappement fait partie de ces solutions envisageable et le moteur à cycle de Rankine offre de nombreux avantages. Le choix de cette technologie de récupération d'énergie à l'échappement est justifié au moyen d'un état de l'art complet ainsi qu'au moyen d'une comparaison basée sur des simulations au moyen de modèles calibrés. Ces simulations ont permis également de donner un ordre de grandeurs des gains de consommation attendus sur différents cycles de conduite. L'expanseur du moteur à cycle de Rankine est un des éléments-clés du système. Aucun expanseur disponible sur le marché n'est adapté pour l'application véhicule. Dès lors, le dimensionnement d'un nouvel expanseur a été entrepris. Ce dimensionnement a nécessité le développement d'un modèle détaillé de l'expanseur scroll. Le moteur à cycle de Rankine fonctionne avec de l'eau et les expériences passées ont montré que la gestion d'un mélange eau-huile est particulièrement délicate. Le choix d'opérer sans lubrification a été réalisé et une attention particulière s'est portée sur la lubrification sèche des volutes de l'expanseur. Des essais expérimentaux ont permis de mettre en évidence les propriétés tribologiques de divers couples de matériaux. La définition des matériaux du joint radial et des volutes de l'expanseur a donc pu être réalisée. Finalement, cet expanseur a pu être testé sur un banc d'essais. Ce banc a également permis de tester plusieurs autres composants du moteur à cycle de Rankine. Les performances de ces composants ont pu être mesurées lors d'essais stabilisés et ils ont également permis de calibrer des modèles semi-empiriques. Ces modèles peuvent être utilisés dans l'évaluation des performances du système de récupération.

De nombreux assemblages mécaniques sont soumis à des sollicitations vibratoires occasionnant des déplacements de faibles amplitudes entre les pièces en contact sec (fretting). Les micro-glissements entre les surfaces provoquent des dégradations susceptibles d'altérer la fiabilité des structures. L'étude présentée a pour objectif d'améliorer la compréhension des phénomènes tribologiques dans un contact arbre / palier avec butée soumis à ce type de sollicitations et a des contraintes thermiques importantes. Le contact se trouvant dépourvu de lubrification fluide ce sont les matériaux le composant qui ont pour rôle d'accommoder les déplacements entre les surfaces. Pour ce faire du carbone amorphe et du graphite sont utilisés pour confectionner les paliers mis en contact contre des arbres en acier et en alliage de titane. Pour améliorer les propriétés tribologiques du système des imprégnations à base de métaux mous et de polymère ont été testés sur les matériaux carbonés. L'imprégnation des ces composés entraine des conséquences variables. Il a été observé qu'elle était plus efficace avec une structure de type graphite, et que les diverses imprégnations se comportaient différemment vis à vis des conditions thermiques sévères. Une nitruration plasma de l'acier et de l'alliage de titane à également été testée pour améliorer les propriétés tribologiques du système. Le traitement est très efficace sur l'alliage de titane, il augmente ses propriétés de résistance à l'usure et d'adhésion. Pour l'acier les résultats sont moins sensibles à cause d'une augmentation de la rugosité de surface de ce dernier lors du traitement qui entraine une abrasion accélérée des composés carbonés.