Frottement caoutchouc-glace : une approche multi-échelle et multi-physique

Rubber-ice friction : a multi-scale and multi-physical approach

• Auteur / Autrice : Sylvain Hemette
• Direction : Denis Mazuyer, Juliette Cayer-Barrioz, Kazue Kurihara
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 17/06/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École 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 : Jean-Yves Cavaillé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Mazuyer, Juliette Cayer-Barrioz, Kazue Kurihara, Mark Rutland
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Antoine Chateauminois, Jean Denape

Mots clés

Mots clés contrôlés

Glace

Conduite automobile

Frottement

Caoutchouc

Mots clés libres

Appareil de Force de Surface

Caoutchouc

Fonte

Frottement

Glace

Tribomètre

Visualisation

Friction

Ice

Melting

Rubber

Surface Force Apparatus

Tribometer

Visualization

Résumé

La conduite sur glace peut se révéler une pratique difficile en raison de la mauvaise adhérence du pneu ainsi que les réglementations strictes limitant ou interdisant l’utilisation des pneus cloutés dans de nombreux pays. Dans ce contexte d’amélioration des conditions de sécurité routière pour les conditions climatiques extrêmes, il est nécessaire d’étudier et d’analyser avec précision le contact glissant entre le caoutchouc et la glace et de déterminer les différents mécanismes clés régissant le comportement tribologique de ce contact.La stratégie choisie dans le cadre de cette thèse consiste donc à étudier le contact caoutchouc-glace à différentes échelles – macrométrique (échelle d’une surface apparente de contact) et micrométrique (échelle d’un groupe de contact entre aspérités) – afin de lier les processus physiques de frottement et d’adhérence observés à l’échelle macrométrique à leurs causes potentielles induites à plus petite échelle.Un système basé sur une Appareil de Force de Surfaces (SFA), développé au laboratoire Kurihara, a été utilisé pour mesurer les interactions caoutchouc glace dans des conditions de température négative avec de couches de caoutchouc d’épaisseur micrométrique. La morphologie du caoutchouc est fortement influencée par la présence de silice et de noir de carbone au sein de matrice élastomère, formant des aspérités de 40 µm de diamètre. Ces aspérités ont une rigidité supérieure à celle de la matrice élastomère environnante. Elles sont également responsables d’une dissipation accrue pour des charges appliquées inférieures à 10 mN, ce qui peut être lié à un phénomène d’hystérésis provoqué par les charges tel que les effets Payne et Mullins et/ou un glissement à l’interface. Les propriétés viscoélastiques des couches minces de caoutchouc mesurées pour les différents échantillons concordent avec les mesures obtenues par l’Analyse Mécanique Dynamique (DMA).En parallèle, le tribomètre KŌRI, développé au LTDS, a été utilisé afin de réaliser des expériences de frottement caoutchouc-glace dans un environnement froid contrôlé (température et taux humidité). Une unité de fabrication de glace a également été conçue afin de produire un disque de glace transparent reproductible. La transparence de la glace permet d’étudier l’évolution du contact caoutchouc-glace pendant un essai de frottement. Le comportement du frottement a été analysé pour des vitesses de glissement comprises entre le µm/s et le m/s, des températures comprises entre -15°C à -2,5°C et différentes propriétés mécaniques du caoutchouc. Les courbes de frottement caoutchouc-glace en fonction de la vitesse présentent la forme caractéristique en cloche observée habituellement pour les caoutchoucs. En plus de la vitesse de glissement, le niveau de frottement dépend également de l’historique de glissement de la glace et des propriétés viscoélastique du caoutchouc. Un labourage de la surface de la glace par les aspérités présentes à la surface de l’élastomère a également été observé lors des mesures de frottement. Deux phases principales de frottement ont pu être identifiées. La première concerne les vitesses de glissement ‘faibles’ où la viscoélasticité du caoutchouc et le labourage de la surface de glace régissent le frottement. La seconde se produit à des vitesses plus élevées pour lesquelles des effets thermiques interviennent.

Driving on ice is a delicate exercise due to the poor adherence of tire on ice and the use of studded tires is tightly regulated or forbidden in many countries. In this context of road safety improvement under severe climatic conditions, it is necessary to precisely study and investigate the sliding contact between rubber and ice and to determine the different key mechanisms governing the tribological behavior of the rubber-ice contact.The strategy chosen in this work is to investigate the rubber-ice contact at different scales – macrometric (scale of apparent surface contact) and micrometric (scale of group of contact between asperities) – in order to link the physical process of friction and adhesion observed at the macrometric scale to their potential causes induced at subscale.A Surface Force Apparatus (SFA) based system, developed in Kurihara Laboratory, was used to measure rubber-ice interactions under negative temperature condition for thin rubber layer. The morphology of the rubber is strongly influenced by the presence of silica and carbon black within the elastomer matrix, forming bumps of 40 µm in diameter. These bumps have a larger rigidity than that of the surrounding elastomer matrix. They are also responsible for increased dissipation for applied loads lower than 10 mN which may be related to hysteresis phenomenon caused by fillers such as the Payne and Mullins effects and/or interface sliding. The viscoelastic properties of the rubber thin layer measured for the different rubber variants showed consistency with the dynamic mechanical analysis measurement.In parallel, the KŌRI tribometer, developed in LTDS, was used to perform rubber-ice friction experiments the contact under controlled cold environment (temperature and humidity rate). An ice manufacturing unit was also designed to produce a repeatable transparent vertically grown ice disc. The ice transparency makes it possible to investigate the evolution of the rubber-ice contact during friction. The friction behavior was analyzed at the macrometric scale for sliding velocities ranging from µm/s to m/s, temperatures ranging from -15°C to -2.5°C and various rubber mechanical properties. The rubber-ice friction as a function of the sliding velocity presents the characteristic bell-shaped curve observed usually for rubbers. In addition to the sliding velocity, the friction level also depends on the environmental temperature, the sliding history of the ice and the viscoelastic properties of the rubber. Ploughing of the ice surface by rubber asperities was observed during friction measurements. Two main friction phases were highlighted. The first one occurs for ‘low’ sliding velocities where rubber viscoelasticity and ice ploughing may govern the friction within the contact. The second one occurs at higher velocities where melting of the ice surface is expected due to frictional heating within the contact.