Usure et frottement entre le segment et la chemise dans un moteur à combustion : modélisation numérique par la méthode des éléments de frontière

Wear and friction between the coated piston ring and the cylinder of a combustion engine : numerical approach by the boundary element method

• Auteur / Autrice : Colombe Saïzonou
• Direction : Jürgen von Stebut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments-frontières, Méthode des

Protection

Moteurs à combustion interne

Simulation par ordinateur

Corrosion de contact

Résumé

Dans le cadre d'un contrat Européen, il s'agissait d'étudier le contact ''segment / chemise'' dans un moteur à combustion en vue des améliorations par des revêtements durs recherchés en matière de frottement et d'usure. Dans une partie expérimentale, nous avons construit un banc d'essai, basé sur un tribomètre de type ''pion / plan'' en mouvement de va et vient. Ces essais avec des segments revêtus de D. L. C. (carbone type diamant) et de chrome, frottant sur des échantillons découpés d'une chemise réelle de moteur, ont permis de conclure sur la supériorité en matière de durée de vie du D. L. C. Aussi bien en frottement sec que lubrifié. Dans la partie principale de ce travail, nous avons modélisé les conditions réelles du contact segment / chemise par une approximation locale 2D de type Tresca (cylindre / plan). La modélisation numérique utilise la méthode des éléments de frontière, associée à celle de décomposition de domaine. Elle offre l'avantage de pouvoir s'implanter sur un PC standard et donne des résultats précis en un temps de calcul assez raisonnable. En l'absence de la pression hydrostatique dàns la chambre de combustion, nous avons utilisé des segments avec des films monolithiques et multicouches. Pour les dépôts à une couche, c'est le segment revêtu de D. L. C. , qui présente la plus faible contrainte dans le segment. N résistera mieux à UR endommagement, et confirme les résultats des essais expérimentaux. Pour les films multicouches, comparé au film de type BABA, le film à gradients de propriétés est celui qui présente les meilleurs propriétés de résistances à l'endommagement. La prise en compte de la pression des gaz dans la chambre de combustion, provoque la baisse des efforts normaux qui s'exercent sur l'ensemble segment / chemise.

Ln the framework of a European Brite Euram contract we have studied the contact between the coated piston ring and the cylinder of a combustion engine. Ln particular, the issue was to analyse the effect of hard, wear resistant coatings coatings on the stress fields in the coated material. Ln an initial, experimental approach we have bench marked the friction and wear behaviour of real machine elements in a reciprocating pin/disk configuration both in the dry and lubricated friction mode. Ln su ch laboratory environment D. L. C. Coatings turned out to be more wear resistant than conventional hard chromium coatings. Ln the main part of this research, we have done modelling of the simplified problem of an elastic 2D (coated cylinder /flat ) contact. Ln this part we have implemented a boundary element numerical approach in conjunction with domain decompositon. This specifically developed code has the advantage of operating on a standard PC yielding excellent precision and reasonable computation time (in general less than one hour). We have studied the effect of the contact pressure on the stress fields in coated piston rings both for bi-layer and multilayer coatings. Ln the absence of hydrostatic pressure in the combustion chamber - as compared to the hard chromium - the D. L. C. Coating is found to correspond to a lower resolved stress field in the substrate and the coating. This is in qualitative agreement with our experimental results. For multilayer coatings, the best attenuation of the contact stress field in the coated piston rings is achieved for graded evolution of Young'modulus from the interface to the ultimate coating surface. This leads to almost total eliinination of stress discontinuities at the interfaces and attenuation of the resolved Tresca stress fields. The main effect of the pressure in the combustion chamber is to reduce the effective contact pressure and the associated real contact area between the piston ring and the cylinder.