Brevet FR2277342A1 — publié le 19760130

La présente invention concerne un dispositif d'essai de lubrifiants liquides ou solides. Les dispositifs connus d'essais de lubrifiants assurent généralement la mise en contact de deux pièces par l'intermédiaire du lubrifiant à essayer. L'une des pièces est mise en mouvement, l'autre restant généralement fixe et le lubrifiant étant placé entre les deux. Dans les disositifs connus, les pièces en appui peuvent - - - ,en appui Btre un rouleau et une pièce présentant une surface plane/sur le rouleau. Un autre dispositif connu est constitué par des billes. Par exemple trois billes identiques tangentes entre elles, et dont les centres sont dans un plan horizontal ; une quatrième bille, disposée au-dessus des trois premières, en appui sur celles-ci, est anime d'un mouvement de rotation et frotte sur les trois billes. Dans d'autres dispositifs encore une broche fixe frottè sur un disque entratné en rotation. Certains de ces dispositifs sont placés dans un four, en totalité ou seulement la partie essentielle, qui comprend les surfaces en appui. Tous les dispositifs connus ont les mimes défauts : ils ne permettent ni d'étudier parément les diverses grandeurs qui interviennent dans les phénomènes de lubrification ni de faire le partage entre le comportement hydrodynamique du lubrifiant et son comportement mécanique. Ainsi, la forme des pièces en appui est donnée une fois pour toutes, l'expérimentateur n' en est pas martre, de ue plus dansVhombwuxdispoRitiMs la pression qulexerce l'une des surfaces sur l'autre est une constante du dispositif. De même encore la vitesse de déplacement de la pièce mobile par rapport à la pièce fixe est imposée par la structure du dispositif. Enfin, les dispositifs connus donnent des résultats qui dépendent beaucoup des variations de la température du lubrifiant a-l'endroit des surfaces en contact ; ces résultats sort donc peu reproductibles. Les dispositifs connus, qui comportent un four, ont été construits pour éviter ce défaut, mais dans tous la température à l'intérieur du four n'est pas homogee et l'expérimentateur ne connaît jamais avec précision ce qui est essentiel, c'est-à-dire la température du lubrifiant à l'endroit où ce lubrifiant est soumi à des contraintes mécaniques. Le but de l'invention est la réalisation d'un dispositif permettant d'étudier séparément les différentes grandeurs qui interviennent dans le comportement mécanique d' un lubrifiant, tout en rendant négligeable l'influence de ses effets hydrodynamiques. Suivant l'invention, le dispositif, qui comprend deux pièces en appui l'une sur l'autre par l'intermédiaire du lubrifiant à essayer, est caractérisé - en ce que l'une des deux pièces est un disque relié à un arbre entrainé en rotation, ce disque étant destiné à recevoir le lubrifiant à essayer - en ce que l'autre pièce, en appui sur le disque, est solidaire d'un bras pouvant pivoter autour d'un axe parallèle à l'axe de rotation du disque, - en ce que le bras, par l'intermédiaire de son axe de pivotement, est solidaire d'un support pouvant pivoter autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de pivotement du bras, - et en ce que le disque et la pièce en appui sur lui sont place à l'intérieur d'un four solidaire de l'arbre d'entratnement du disque et agencé pour régler la température du lubrifiant. Le dispositif conforme à l'invention permet par conséquent de mesurer séparément les paramètres suivants - la pression d'appui de ladite pièce sur le disque en appliquant une force prédéterminée sur le support - la force de frottement entre ladite pièce et le disque - la vitesse de déplacement du disque relativement à ladite pièce et - la température du lubrifiant dans la zone de contact entre ladite pièce et le disque, cette température étant imposée par la température régnant à l'intérieur du Sour. Le fait que le four tourne en même temps que le disque permet en effet d'uniformiser la température régnant à l'intérieur du four, et en particulier d'éviter que la température du lubrifiant dans la zone de contact soit différente de celle mesurée en un point quelconque à l'intérieur du four. ngi la force de frottement mesurée entre la pièce en appui sur le disque et celui-ci traduit bien le comportement mécanique du lubrifiant pour une pression d'appui, une vitesse et une température données. Belon une version préférée de l'invention, le support comporte une potence sensiblement parallèle au bras, ce dernier étant relié à la potence par l'intermédiaire de moyens pour mesurer la force de frottement entre le disque et la pièce en appui sur celui-ci. Ces moyens sont constitués par exemple, par des jauges extensométriques semi-conductrices sensibles à la déformation d' un anneau dynamométrique fixé au support et au bras. La rotation du disque tend à entrainer par frottement la pièce en appui sur le disque et le bras qui possède un degré de liberté par rapport à la potence. L'anneau dynamométrique est le seul obstacle à cet entratnement ; sa déformation permet ainsi de mesurer la force de frottement. D'autres particularités de l'invention apparattront encore dans la description qui va suivre. Âux dessisn annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs, la figure 1 est une vue schématique du dispositif conforme à l'invention, la figure 2 est une vue en élévation et en coupe partielle d'une réalisation préférée du dispositif, la figure 3 est une vue de dessus du dispoqitif de la figure 2, le couvercle étant enlevé, la figure 4 est une vue en coupe suivant IV-IV de la figure 3, à plus grande échelle, d'une partie du dispositif des figures 2 et 3, la figure 5 est un diagramme obtenu à l'aide du dispositif conforme à l'invention, et montrant la variation du coefficient de frottement en fonction de la température et de la nature du lubrifiant. En référence au schéma de la figure t, on voit que le dispositif conforme à l'invention comprend principalement un disque 1 destiné à recevoir le lubrifiant à essayer, relié à un arbre 2 entraSné en rotation suivant un axe X-X' et une pièce 3 constituée dans cet exemple par une bille en appui sur le disque 1. Le bras 4 porte la bille 3, et pivote autour de l'axe YY', qui est porté par le support en U 5, mobile autour de l'axe ZZ', perpendiculaire aux deux axes gX' et TT' précités.Le d;isrtue 1 et la pièce 4a solidaire du bras 4 portant la bille 3 sont entourés par un four 12 (représenté en pointillés) qui tourne en mtme temps que l'arbre 2. Dans cette réalisation le support 5 est prolongé par une potence 6 parallèle au bras 4. Le seul lien entre le bras 4 et cette potence 6 est constitué par un anneau dynamométrique 7. disposé au-dessus de la potence 6. Cet anneau 7 est fixé d'une part au bras 4 par la patte 8, et d'autre part à la potence 6 par la pièce 9. La rotation du disque 1 entre par frottement la bille 3 fixée au bras 4 et ainsi écarte ce dernier de la potence 6. La distance entre la patte 8 et la pièce 9 augmente et l'anneau dynamométrique 7 se déforme. Des jauges extensométriques semitonductrices 10 et 11, disposées en contact avec l'anneau 7 enregistrent cette déformation et délivrent un courant qui est fonction de la force de frottement exercée par le disque 1 sur la bille 3. Â titre d'exemple, dans la version préférée du dispositifconforme à l'invention ces jauges sont montées en pont complet, et sont compensées thermiquement entre 00 et 80La. La sensibilité de l'anneau dynamométrique, équipé de ces jauges, est de l'ordre de 1,8 V par volt et par newton. Dans la réalisation préférée des figures 2 et 3,le dispositif est monté sur une plaque métallique 13 munie de pieds 14. Sous cette plaque 13 sont disposés, un moteur électrique 15 entrant en rotation l'arbre 16 par l'intermédiaire de poulies 17 et 18 et d'une courroie 19a.Cet arbre 16 est monté dans des roulements à billes 1 6a logés dans un manchon 1 7a qui est solidement fixé à la plaque métallique 13. L'ensemble constitué par la plaque 13, les pieds 14 et le manchon 1 7a est agencé de façon à éviter toute vibration de l'arbre 16. L'arbre 16 est relié d'autre part à des moyens (non représentés) pour mesurer sa vitesse de rotation. On voit d'autre part que cet arbre 16 est creux et comporte des trous latéraux 1 8a débouchant à l'intérieur du manchon 17a. Cette disposition permet de réaliser à l'intérieur de l'arbre 16 une circulation d'eau de refroidissement et d'éviter ainsi tout échauffement de cet arbre. Sur la plaque métallique 13 sont disposés les éléments essentiels du dispositif conforme à l'invention. On voit à la figure 2 que le disque 19 est logé dans une pièce 20 en forme de cuvette engagée à l'intérieur du four 21. Ce four 21 est en 22 solidement fixé à l'arbre 16. Le haut du four 21 est muni d'une plaque 23 présentant une ouverture 24. Â la plaque 13 est fixé le support 25 présentant un axe 25a parallèle à la plaque 13-sur lequel peut pivoter une pièce 26 sensiblement en U. Cette pièce 26 porte un axe 27 qui, dans la disposition de la figure 2, est vertical par rapport à la plaque 13. Sur cet axe 27 est fixée l'extrémité d'un bras 28 s'étendant en position d'utilisation, parallèlement à la plaque 15. L'extrémité opposée du bras 28 comporte une pièce 29 de forme extérieure sensiblement conique portant une bille 30 en appui sur la face supérieure du disque 19. La pièce 29 est engagée en partie à l'intérieur du four 21 à travers l'ouverture 24 de la plaque 23. Sous le bras 28 est fixée une plaque 31 disposée à une faible distance au-dessus de l'ouverture 24 et servant par conséquent de couvercle pour le four 21. La pièce 26 en U du support 25 est prolongée par une potence 32 s' étendant au-dessus du bras 28 et parallèlement à ce dernier. On voit au-dessus de la potence 32, un anneau dynamométrique 33 relié au bras 28 au moyen d'une patte 34 et à la potence 32 par une patte 34a. La pièce en U 26 porte sur son ctté opposé à celui du bras 28, un contrepoids 35 dont la position réglable par rapport à la pièce en U permet de modifier la pression exercée par la bille 30 sur le disque 19. La figure 2 montre encore, sur la version préférée du dispositif, deux autres moyens pour faire varier cette pression, à savoir l'organe 36 auquel peuvent être adaptés soit un dynamomètre (non représenté) soit des masses additionnelles connues. Le four 21, en acier réfractaire dans sa version préférée est chauffé par une résistance 37 enroulée en spirale sur son fond et en hélice contre la paroi latérale. Cette résistance 37 est alimentée par une tension alternative réglable, la connexion électrique s'effectuant par l'intermédiaire d'un système 38 de balais en appui sur une surface de révolution par rapport à l'axe de rotation du four 21. Dans la réalisation de la figure 2 on voit d'autre part que la partie supérieure du dispositif est recouverte par un couvercle 39. Ce couvercle délimite ainsi une enceinte 40 protégeant le dispositif à l'égard de la Poussière et permettant d'effectuer tzar ranora des essais sous atmosphère contr8lée en légère surression/l'exte'rier. Dans la réalisation de la figure 4, on voit que la pièce 29 de forme extérieure sensiblement conique portant la bille 30 est montée de façon amovible au bras 28. On voit d'autre part que la bille 30 logée à l'extrémité de la pièce 29 est elle-meme amovible par rapport à cette pièce 29. Cette bille 30 après dévissage de la vis 41 peut ainsi être remplacée par une pièce cylindrique de diamètre sensiblement égal à celui de la bille et présentant à son extrémité destinée à venir en contact avec le disque 19 une surface plane ou de courbure variable. On voit en outre que la patte 34a fixée à la potence 32 et reliée à l'anneau dynamométrique 33 comporte un manchon 42 qui est solidaire du bras 28 par l'intermédiaire d'un ressort 43. Ia force d1 appui de ce ressort 43 peut outre réglée au moyen d'une vis 44. Cette disposition permet de précharger l'anneau dynamométrique 33 pour que celui-ci puisse fonctionner dans un domaine de déformation linéaire. Dans cette réalisation, le bord supérieur du disque 19 est engagé dans une pièce filetée cylindrique 45 déterminnnt un récipient 46 pour recevoir le lubrifiant liquide ou solide à essayer. Â titre d'exemple le dispositif conforme à l'invention est équipé d'un moteur associé à des moyens permettant de faire varier la vitesse de rotation du disque 19 entre 0,004 et 20 tours par minute. La pression d'appui entre le disque 19 et la bille ou autre objet peut ttre réglée entre 1 et 40 000 bars ce qui est un intervalle très large puisque généralement les mécanismes fonctionnent sous des pressions comprises entre 2000 et 20000 bars. La température du lubrifiant disposé sur le disque peut dtre mesurée avec précision au moyen d'un thermocouple placé au voisinage immédiat de la surface du disque 19. La température à l'intérieur du four peut être réglée pour varier entre l'ambiante et 6000 C, ce qui couvre également largement les températures qu'atteignent les lubrifiants en service. Le fonctionnement du dispositif conforme à l'invention est le suivant (voir figures 2, 3 et 4) : - L' ensemble constitué par la pièce 26 en U, la potence 92- et le bras 28 étant levé, l'expérimentateur met en place à l'extrémité de la pièce 29 sensiblement conique, la bille SO ou autre objet destiné à venir en contact avec le disque 19. Le lubrifiant est mis en place sur le disque 19 et l'ensemble précité est basculé de façon à établir le contact entre la bille 90 ou autre objet et le disque 19. L'expérimentateur règle ensuite la pression d'appui en agissant sur le contrepoids 35b I1 règle la pression exercée par le ressort 43 logé dans le manchon 42, sur le bras 28 de façon à précharger l'anneau dynamométrique 33 à une valeur déterminée. L'expérimentateur met alors en route successivement le moteur 15, le chauffage du four 21, et la circulation de refroidissement de l'arbre 16. Lorsque la température du four 21 atteint sa température de régime prédéterminée, l'expérimentateur note les indications délivrées par les jauges extensométriques 33a qui sont proportionnelles à la force de frottement engendrée entre la bille 30 ou autre objet et le disque 19. On peut constater lors des essais qu'à l'endroit du contact précité, la force d'appui sur le disque 19 étant par exemple égale à 8,5 N (Newton) , la température du lubrifiant n'est supérieure à celle régnant à l'intérieur du four 21 que de 30C. Parallèlement, la variation de la force d'appui engendrée par réaction hydrodynamique du lubrifiant n'est que de 5,1o'2N, ce qui est négligeable. Le dispositif conforme à l'invention permet par conséquent de mesurer la force de frottement entre deux pièces en appui par l'intermédiaire d'un lubrifiant, pour une vitesse, une pression d'appui et une température déterminées, sans que l'une de ces variables soit influencée par le comportement hydrodynamique du lubrifiant. Ce dispositif permet de ce fait d'effectuer des essais reproductibles. Le diagramme de la figure 5 reproduit des courbes obtenues à l'aide du dispositif conforme à l'invention. Ces courbes représentent les variations du coefficient de frottement K rn fonction de la température T ( C), pour une huile minérale pure (courbe M pour cette mtme huile additionnée d'un additif (courbe B) et pour cette meme huile additionnée d'un autre additif (courbe C). La courbe A montre que l'huile pure assure une lubrification correcte jusqu'à 900C et que le coefficient de frottement augmente de façon très irrégulière au-delà de cette température. Les courbes B et C rendent compte de l'influence des additifs. En présence d'additif, l'huile retrouve à une certaine température des propriétés lubrifiantes suffisantes. Le dispositif conforme à l'invention est par conséquent capable de déterminer avec précision l'influence d'un ou plusieurs additifs à un lubrifiant, sur les propriétés de ce dernier. REVENDICADIONS 1. Dispositif d'essai de lubrifiants comprenant deux pièces en appui 1' une sur 1' autre par l'intermédiaire d'un lubrifiant, ainsi que des moyens pour entratner en rotation l'une des pièces et pour mesurer la force de frottement engendrée entre les deux pièces, caractérisé - en ce que l'une des pièces est un disque relié à un arbre entratné en rotation, ce disque étant destiné à recevoir le lubrifiant à essayer, - en ce que l'autre pièce, en appui sur le disque, est solidaire d'un bras pouvant pivoter autour d'un axe parallèle à l'axe de rotation du disque - en ce que le bras, par l'intermédiaire de son axe de pivotement, est solidaire d'un support pouvant pivoter autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de pivotement du bras - et en ce que le disque et la pièce en appui sur lui sont placés à l'intérieur d'un four solidaire de l'arbre d'entrainement du disque et agencé pour régler la température du lubrifiant. 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le support comporte une potence sensiblement parallèle au bras, le bras étant relié à la potence par l'intermédiaire de moyens pour mesurer la force de frottement entre le disque et la pièce en appui sur celui-ci. 3. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens pour mesurer la force de frottement entre le disque et la pièce en appui sur celui-ci, sont constitués par des jauges extensométriques semiconductrices, sensibles à la déformation d'un anneau dynamométrique fixé au support et au bras. 4. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le support comprend des moyens pour régler la pression d'appui de la pièce solidaire du bras, sur le disque1 5. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pièce solidaire du bras est amovible par rapport à ce bras. 6. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'arbre est creux et est refroidi par une circulation interne d'eau. 7. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le four est cylindrique et comprend une résistance électrique de chauffage. enroulée rn en hélice autour de la paroi latérale et A3pirale sur le fond du four. 8. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisé en ce que sont logés dans une enceinte close au moins le support, le bras et le four.