Relations viscoélasticité / tribologie des élastomères chargés : application aux joints d'étanchéité dans les roulements à billes

• Auteur / Autrice : Marc Thomine
• Direction : Gérard Vigier, Philippe Kapsa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMPPM - Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux (Lyon, INSA1975-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usure (mécanique)

Roulements à billes

Joints d'étanchéité

Tribologie (technologie)

Viscoélasticité

Élastomères

Résumé

L’objectif de cette étude porte sur la compréhension des relations entre les propriétés viscoélastiques et tribologiques des élastomères chargés ; ces derniers étant utilisés comme joints d’étanchéité dans les roulements à bille. Une étape primordiale pour l’optimisation de la fonction étanchéité de tels systèmes est une meilleure connaissance des mécanismes mis en jeu lors du frottement et de l’usure de ces matériaux. Ce travail de recherche a permis de déterminer un scénario d’endommagement des joints d’étanchéité, basé sur une abrasion régulière des matériaux par les particules de pollution et une dégradation thermomécanique des lèvres en élastomère. Par ailleurs, une étude de 2 matériaux, A et O, possédant une température de transition vitreuse différente (TgA < TgO) lors de sollicitations tribologiques (joints en système réel et essais bille/plan) a montré deux comportements différents. D’une part, une bonne tenue en étanchéité malgré une usure marquée du matériau A ; d’autre part, la présence d’une couche oxydée de quelques microns, protectrice contre l’usure, sur le matériau O avec une tenue étanchéité médiocre. Pour expliquer ces différences, nous avons analysé les températures réelles atteintes au contact, en prenant en compte la température d’essai et les échauffements dus au frottement et à la viscoélasticité. L’hypothèse émise ainsi est une température réelle de contact du matériau O dépassant la température critique d’oxydation de l’élastomère. Ces résultats ont été corroborés par une analyse du flux thermique lors d’un essai bille/plan. En conclusion, cette étude a permis une avancée dans la détermination des mécanismes d’usure des élastomères chargés en relation avec leurs propriétés viscoélastiques. De plus, une amélioration industrielle a été proposée.

The objective of this study relates to the comprehension of the relations between viscoelastic and tribologic properties of filled elastomers; the latter being used as seals in ball bearings. A capital stage for the optimisation of the sealing is a better knowledge of their friction and wear mechanisms. This research work allowed us to determine the different steps of the lip seals wear, based on a regular abrasion of materials by the pollution particles, and a thermomecanical degradation of the elastomer lips. Moreover, the study of 2 rubbers A and O, which mainly differ by their glass transition temperature (TGA<TGO) under tribological solicitations (lip seal and pin-on-disc test) shows 2 different behaviours. On one hand, a good sealing function in spite oh high wear of material A; In other hand, the presence of an oxided layer, of a few microns, protective against wear, on the material O with poor sealing performance. To explain these differences, we analysed the real temperatures in contact, by taking account of the test temperature and the heating due to the friction and the viscoelasticity. The assumption is that the real temperature of material O exceeding the critical temperature of oxidation of elastomer. These results were corroborated by a heat flux analysis of the pin-on-disc test. In conclusion, this study allowed us to determine the wear mechanisms of filled elastomers in relation with their viscoelasticity. An industrial improvement was also suggested.