WO2006063597A1 - Tribometre a trois billes pour le frottement de roulement - Google Patents

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WO2006063597A1 PCT/DZ2005/000003 DZ2005000003W WO2006063597A1 WO 2006063597 A1 WO2006063597 A1 WO 2006063597A1 DZ 2005000003 W DZ2005000003 W DZ 2005000003W WO 2006063597 A1 WO2006063597 A1 WO 2006063597A1
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Mohamed Rahmani
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Mohamed Rahmani
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N19/00—Investigating materials by mechanical methods
    • G01N19/02—Measuring coefficient of friction between materials

Definitions

  • This invention relates to a three ball tribometer for rolling friction. It is an instrument for measuring friction and its effects on materials. It makes it possible to measure the tribological characteristics of lubricants and materials under rolling contact stress. It is suitable for all materials used in mechanics and especially for organic materials with viscoelastic behavior.
  • the first instruments to measure rolling friction are compact compression machines in which the principle of the inclined plane is used.
  • the three balls which roll on the flat surface of the test piece are driven by a fourth ball fixedly attached to the free end of the motor shaft, and the assembly turns to l inside a fixed cylindrical container with vertical axis.
  • the three balls roll simultaneously on the surface of the test piece kept fixed, and on the internal surface of the cylindrical container.
  • the movement of the three balls on the flat surface of the specimen is therefore composed of a rolling movement and a slip due to spin.
  • the spin here is the rotation of each of the balls around its own axis which passes through the point of contact with the specimen.
  • the balls and the test piece must be lubricated. Adequate lubrication can help alleviate unwanted spin friction friction. This sliding friction is a significant source of error, especially in non-lubricated tests.
  • the sliding friction due to spin is eliminated but there is always a risk of sliding due to the inertia of the other three balls. This configuration does not allow the tribometer to measure the torque or the rolling friction coefficient.
  • NASA's latest addition is a three-ball tribometer that rolls without spin on a flat test tube between two parallel plates.
  • the three balls roll without guidance following a cyclic spiral path which is repeated at each turn.
  • the plate carrying the test piece is kept fixed while the other rotates at the maximum speed of 4 revolutions / min.
  • This three-ball tribometer is intended for tribological evaluation of liquid lubricants under vacuum and at controlled temperature. Running this tribometer at higher speeds for other types of tribological testing leads to dynamic problems.
  • the present invention aims to achieve a tribometer. for rolling friction.
  • this tribometer the movement of the balls on the flat surface of the test piece must be a pure rolling movement, without spin or any other source of slip.
  • Figure 1 is an overview showing the essentials in this tribometer.
  • Figure 2a is a sectional front view and a top view of the drive disc containing a circular V-groove with an angle whose center line is vertical.
  • Figure 2b is a sectional view and a top view of the drive disc containing a circular V-shaped groove with an angle, the center line of which is inclined towards the outside of the orbit.
  • Figure 2c is a sectional view and a top view of the drive disc containing a circular V-shaped groove with an angle whose center line is inclined towards the center of the orbit.
  • This tribometer consists mainly of three balls 1 which roll under axial load on the flat surface of a test piece 2 along a circular path between two parallel plates in a fixed cylinder 3.
  • the fixed cylinder 3 is thermally designed to be a temperature chamber controlled. At the same time it ensures the parallelism of the two plates in ensuring the coaxiality of the rotating elements with those which remain fixed on the one hand, and on the other hand it ensures the axial guidance of the compression load which acts on these two plates.
  • the upper plate is the test tube piston 4. It is hollow with a flat bottom below which the test tube is fixed 2. Its movement in the free state in the fixed cylinder 3 has two degrees of freedom in axial translation and in rotation . It • is actuated in axial translation by the loading system 5 which allows it to apply the axial load on the test piece 2 against the three balls 1. It is also driven in rotation by the rolling resistance of the balls 1 on the test piece 2 against the load cell 6 which blocks it to measure the rolling friction torque. These possibilities of movement allow the test piece piston 4 to also vibrate when the surface of the test piece is damaged and to transmit these vibrations to the vibration sensors 7.
  • the lower plate called the motor disk 8 is mounted integrally on the motor shaft 9 provided with a tachometer 10 to control the speed of rotation.
  • the drive disk 8 is the centerpiece in this invention, it is distinguished by a circular groove hollowed out in the flat contact face of the disk with the balls.
  • the cross section of this groove is in the form of a V large enough to contain a little more than half of a sphere with a diameter of 12.7 mm.
  • the groove must have an average circle of diameter just large enough to contain only three balls simultaneously with the space necessary to avoid contact between balls.
  • this groove The main role of this groove is to drive and guide the balls.
  • the substance of this invention resides here in the fact that this V-groove has geometrical characteristics capable of controlling the movement of the balls 1 So for the movement of the balls on the test piece to be a pure rolling movement and without spin, it is sufficient that the center line of the angle V formed by the two sides of the groove is vertical Figure 2a. In this way the V-groove will be able to hold the balls between its two sides in a dynamic equilibrium, like holding them by an axis which rotates horizontally at half speed of the drive disc 8.
  • the spin here depends only on the shape of the V formed by the two sides of the groove.
  • the speed of the spin is only the vertical projection of the resultant of. the rolling speed of the ball on the two sides of the groove.
  • a V with a vertical median line Figure 2a completely eliminates the spin by reducing its speed to zero.
  • an inclination of the V towards the outside of the Figures 2b orbit or the inside of the Figures 2c orbit implies a spin in the negative or positive direction respectively.
  • the positive direction here is the direction of rotation of the motor disc 8.
  • the speed and the direction of the spin ' are however in direct relation with the algebraic sum of the angles of inclination of the two sides of the groove with respect to the vertical.
  • this tribometer is capable of measuring the rolling friction torque with or without spin depending on the type of lubrication, the load, the speed, and the temperature. And in addition by the fact that it is able to automatically evacuate debris and dust II has " an exceptional advantage in the measurement of friction of dry rolling (without any lubrication) and without the influence of the third body.
  • This tribometer thus equipped makes it possible to measure the damage and the lifespan of materials and coatings under rolling contact stresses as a function of the load, the speed of rotation, the number of cycles, the temperature of the material, and in function of the lubricant.

Abstract

Le tribomètre présenté dans cette invention est constitué principalement de trois billes qui roulent sans glissement entre deux plateaux parallèles dans un cylindre fixe. C'est une nouvelle conception qui permet de contrôler le spin des billes. Le plateau supérieur porte l'éprouvette de surface plane, transmet la charge axiale à l'éprouvette et aux billes, et reçoit les vibrations et le couple de frottement de roulement de l'éprouvette. Le plateau inférieur est l'élément essentiel dans cette invention, il entraîne les billes en mouvement de rotation, et il se distingue par une rainure circulaire en forme de V creusée dans la face de contact avec les billes. En jouant sur l'inclinaison des deux flancs de cette rainure, nous obtenons la possibilité de contrôler le spin des billes et même de l'annuler.

Description

TRIBOMETRE A TROIS BILLES POUR LE FROTTEMENT DE ROULEMENT
Domaine technique auquel se rapporte l'invention
Cette invention concerne un tribomètre à trois billes pour le frottement de roulement II s'agit d'un instrument pour mesurer le frottement et ses effets sur les matériaux. Il permet de mesurer les caractéristiques tribologiques des lubrifiants et des matériaux sous contrainte de contact roulant. Il convient à tous les matériaux utilisés en mécanique et surtout aux matériaux organiques de comportement viscoélastique.
Etat de la technique antérieure
Les premiers instruments pour mesurer le frottement de roulement sont ' des machines compactes de compression dans lesquelles on utilise le principe du plan incliné. Dans les tribomètres à quatre billes utilisés de nos jours, les trois billes qui roulent sur la surface plane de l'éprouvette sont entraînées par une quatrième bille fixée solidairement à l'extrémité libre de l'arbre moteur, et l'ensemble tourne à l'intérieur d'un récipient cylindrique fixe à axe vertical. Les trois billes roulent simultanément sur la surface de l'éprouvette maintenue fixe, et sur la surface interne du récipient cylindrique.
Le mouvement des trois billes sur la surface plane de l'éprouvette est composé donc d'un mouvement de roulement et d'un glissement dû au spin. Le spin ici c'est la rotation de chacune des billes autour de son propre axe qui passe par le point de contact avec l'éprouvette. Pour mesurer ou étudier uniquement le frottement de roulement il faut lubrifier les billes et l'éprouvette. Une lubrification adéquate peut aider à atténuer le frottement indésirable de glissement dû au spin. Ce frottement de glissement est une source d' erreur non négligeable surtout dans les tests non lubrifiés. II existe une autre façon d'utiliser le tribomètre à quatre billes avec les billes qui roulent guidées dans une bague sphérique, entraînées par une éprouvette de forme conique qui remplace la quatrième bille. Ainsi le frottement de glissement dû au spin est éliminé mais il reste toujours un risque de glissement dû à l'inertie des trois autres billes. Cette configuration ne permet pas au tribomètre de mesurer le couple ou le coefficient de frottement de roulement.
Le dernier né de la NASA est un tribomètre à trois billes qui roulent sans spin sur une éprouvette plane entre deux plateaux parallèles. Les trois billes roulent sans guidage suivant une trajectoire en spirale cyclique qui se répète à chaque tour. Le plateau qui porte l' éprouvette est maintenu fixe tandis que l'autre tourne à la vitesse maximale de 4 tours/min. Ce tribomètre à trois billes est destiné à l'évaluation tribologique des lubrifiants liquides sous vide et à température contrôlée. Faire fonctionner ce tribomètre à des vitesses supérieures pour d'autres types de tests tribologiques entraîne des problèmes dynamiques.
Quant au frottement de roulement cylindre sur cylindre ayant des axes parallèles, il existe déjà un tribomètre dans lequel la vitesse de glissement est contrôlée par un système d' engrenage qui permet de la régler à zéro. Ce type de tribomètre est excellent pour étudier la tribofatigue et l' endommagement qui en résulte, mais il reste incapable de mesurer le frottement de roulement.
But de l'invention
La présente invention a pour objectif de réaliser un tribomètre. pour le frottement de roulement. Dans ce tribomètre le mouvement des billes sur la surface plane de l'éprouvette doit être un mouvement de roulement pur, sans spin ni aucune autre source de glissement. On s'intéresse dans cette invention à développer un moyen pour contrôler le spin des billes tout en évitant les problèmes dynamiques.
Avec cette éventuelle solution on pourra choisir au départ un spin positif, négatif ou nul. Avec ce tribomètre on aura surmonté le problème du glissement qui fausse souvent les mesures Cette appareil devra permettre de mesurer avec précision le couple de frottement de roulement avec ou sans glissement ainsi que la résistance à la tribofatigue ce qui le distingue de ses prédécesseurs.
Enoncé des figures
La figure 1 est une vue d'ensemble qui montre les éléments essentiels dans ce tribomètre.
La figure 2a est une vue de face en coupe et une vue de dessus du disque moteur contenant une rainure circulaire en V avec un angle dont la ligne médiane est verticale.
La figure 2b est une vue en coupe et une vue de dessus du disque moteur contenant une rainure circulaire en V avec un angle dont la une ligne médiane est inclinée vers l'extérieur de l'orbite.
La figure 2c est une vue en coupe et une vue de dessus du disque moteur contenant une rainure circulaire en V avec un angle dont la ligne médiane est inclinée vers le centre de l'orbite.
Présentation de l'essence (la substance) de l'invention et son mode de réalisation
Ce tribomètre est constitué principalement de trois billes 1 qui roulent sous charge axiale sur la surface plane d'une éprouvette 2 suivant une trajectoire circulaire entre deux plateaux parallèles dans un cylindre fixe 3. Le cylindre fixe 3 est conçu thermiquement pour être une chambre à température contrôlée. En même temps il assure le parallélisme des deux plateaux en assurant la coaxialité des éléments en rotation avec ceux qui restent fixes d'une part, et il assure d'autre part le guidage axial de la charge de compression qui agit sur ces deux plateaux.
Le plateau supérieur est le piston porte éprouvette 4. Il est creux avec un fond plat en dessous duquel on fixe l' éprouvette 2. Son mouvement à l'état libre dans le cylindre fixe 3 a deux degrés de liberté en translation axiale et en rotation. Il • est actionné en translation axiale par le système de chargement 5 qui lui permet d'appliquer la charge axiale sur l' éprouvette 2 contre les trois billes 1. Il est entraîné aussi en rotation par la résistance au roulement des billes 1 sur l' éprouvette 2 contre la cellule de charge 6 qui le bloque pour mesurer le couple de frottement de roulement. Ces possibilités de mouvement permettent au piston porte éprouvette 4 de vibrer aussi lorsque la surface de l'éprouvette est endommagée et de transmettre ces vibrations aux capteurs de vibrations 7.
Le plateau inférieur appelé disque moteur 8 est monté solidairement sur l'arbre moteur 9 muni d'un tachymètre 10 pour contrôler la vitesse de rotation. Le disque moteur 8 est la pièce maîtresse dans cette invention il se distingue par une rainure circulaire creusée dans la face plane de contact du disque avec les billes. La section transversale de cette rainure est sous forme d'un V suffisamment grand pour contenir un peu plus de la moitié d'une sphère de diamètre 12,7 mm. Pour une meilleure stabilité la rainure doit avoir un cercle moyen de diamètre juste assez grand pour contenir seulement trois billes simultanément avec l'espace nécessaire pour éviter le contact entre billes .
Le rôle principal de cette rainure est l'entraînement et le guidage des billes. La substance de cette invention réside ici dans le fait que cette rainure en V possède des caractéristiques géométriques capables de contrôler le mouvement des billes 1 Donc pour que le mouvement des billes sur l'éprouvette soit un mouvement de roulement pur et sans spin, il suffit que la ligne médiane de l'angle V que forment les deux flancs de la rainure soit verticale Figure 2a. De cette façon la rainure en V sera capable de tenir les billes entre ses deux flancs dans un équilibre dynamique, comme les tenir par un axe qui tourne horizontalement à la demi vitesse du disque moteur 8.
On peut introduire volontairement un glissement dû à un spin. Le spin ici dépend uniquement de la forme du V que forment les deux flancs de la rainure. La vitesse du spin n'est que la projection verticale de la résultante de . la vitesse de roulement de la bille sur les deux flancs de la rainure. Ainsi un V avec une ligne médiane verticale Figure 2a élimine complètement le spin en réduisant sa vitesse à zéro. Alors qu'une inclinaison du V vers l'extérieur de l'orbite Figures 2b ou l'intérieur de l'orbite Figures 2c implique un spin dans le sens négatif ou positif respectivement. Le sens positif ici est le sens de rotation du disque moteur 8. La vitesse et le sens du spin' sont cependant en relation directe avec à la somme algébrique des angles d'inclinaison des deux flancs de la rainure par rapport à la verticale.
Plus l'axe médian de l'angle de la rainure est incliné vers l'intérieur plus la vitesse du spin des billes est élevée dans le même sens que celle du disque moteur (8) . Et plus l'axe médian de l'angle de la rainure est incliné vers l'extérieur de l'orbite plus la vitesse du spin des billes est élevée mais cette fois dans le sens contraire à celle du disque moteur (8) . Manière dont l'invention est susceptible d'application
Avec l'équipement cité ci dessus, ce tribomètre est capable de mesurer le couple de frottement de roulement avec ou sans spin en fonction du type de lubrification, de la charge, de la vite-sse, et de la température. Et en plus par le fait qu'il est capable d'évacuer automatiquement les débris et la poussière II possède" un avantage exceptionnel dans la mesure du frottement de roulement à sec (sans aucune lubrification) et sans l'influence du troisième corps .
Ce tribomètre ainsi équipé permet de mesurer l' endommagement et la durée de vie des matériaux et des revêtements sous contraintes de contact roulant en fonction de la charge, de la vitesse de rotation, du nombre de cycles, de la température du matériau, et en fonction du lubrifiant.

Claims

REVENDICATIONS
1. - Tribomètre à trois billes pour le frottement de roulement caractérisé par le fait que le mouvement des billes sur l'éprouvette est un mouvement de roulement pur sans spin avec la possibilité d'introduire un spin positif ou négatif.
2. - Tribomètre à trois billes selon la revendication 1 caractérisé en ce que les trois billes sont entraînées en contact roulant sur la surface de l'éprouvette, par une rainure circulaire en forme de V creusée dans la surface de contact du disque moteur (8) avec les billes.
3. - Tribomètre à trois billes selon les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que la vitesse et le sens du spin des billes sur la surface de l'éprouvette dépendent directement du choix de l'inclinaison de la ligne médiane de l'angle que forment les deux flancs de la rainure sur la face de contact du disque moteur (8) avec les billes
4. - Tribomètre à trois billes selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que le spin des billes est éliminé en utilisant un disque moteur (8), qui se caractérise par le fait que la ligne médiane de l'angle que forment les deux flancs de la rainure est verticale.
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