Brevet FR2660756A1 — publié le 19911011

La présente invention est relative à un dispositif et à un procédé pour améliorer l'évaluation des performances des lubrifiants. La mesure des caractéristiques des lubrifiants et en particulier l'évaluation de leur comportement dynamique lors du frottement de deux surfaces l'une par rapport à l'autre est très importante aussi bien pour les fabricants s'ils veulent pouvoir en améliorer les performances que pour les utilisateurs s'ils veulent en apprécier correctement les possibilités compte tenu de l'utilisation recherchée. Actuellement, une telle évaluation est faite à l'aide d'appareils dont le principe est le suivant : en présence du lubrifiant que l'on désire tester on met en frottement l'une contre l'autre pendant un temps donné deux pièces dans des conditions aussi proches que possible de la réalité. Les appareils sont réalisés de façon telle que l'on puisse en début d'essai et manuellement ajuster les paramètres caractéristiques de l'essai, notamment la force s'exerçant entre les deux pièces, la vitesse relative entre les surfaces en frottement et la température du lubrifiant. De tels appareils présentent plusieurs inconvénients. Tout d'abord, les dispositifs d'application de la charge entre les deux zones de contact sont peu précis et peuvent se dérégler pendant le fonctionnement, en particulier du fait de l'usure relative des deux surfaces en frottement. La reproductibilité d'un essai par rapport à un autre est donc médiocre. De plus le réglage de la force entre les deux zones de contact se fait de façon manuelle, si bien que les changements que l'on peut être amené à exécuter au cours d'un test nécessitent l'intervention d'un opérateur. I1 en est de même des autres valeurs caractéristiques qui sont généralement réglées manuellement au début d'un essai et ne sont plus modifiées jusqu'à la fin. Les appareils connus dans l'état de la technique présentent également l'inconvénient de ne pas mesurer pendant la totalité du cycle d'essai l'usure entre les deux zones de contact. La présente invention a pour objet de pallier les inconvénients ci dessus, permettant ainsi de soumettre les lubrifiants à tester à des cycles d'essais prédéfinis et parfaitement reproductibles. I1 s'agit d'un dispositif pour l'évaluation des performances de lubrifiants par mise en charge d'une pièce fixe sur une pièce mobile, ladite pièce mobile étant actionnée par un moteur, les deux pièces, entourées d'un bac destiné à contenir ou à recueillir le lubrifiant à tester, étant en contact ponctuel, linéaire ou surfacique caractérisé en ce qu'un vérin agit sur une des pièces, un capteur d'effort mesurant en permanence la force appliquée et la transmettant à un dispositif de régulation agissant sur le fluide de commande dudit vérin de façon que la force appliquée entre les deux pièces soit maintenue sensiblement égale à une consigne programmable. Ledit vérin sera choisi d'un type présentant de très faibles frottements, tel qu'un vérin à membrane, de façon à assurer une bonne précision de la régulation. Afin de suivre de façon précise et continue le comportement des pièces en frottement, comportement traduisant la plus ou moins bonne tenue des lubrifiants assurant la lubrification des pièces en contact, la présente invention est caractérisée en ce que l'on mesure en permanence l'enfoncement progressif relatif d'une pièce par rapport à l'autre, enfoncement égal à l'usure entre les deux pièces en contact, au moyen d'un capteur de déplacement à grande résolution. Pour ce faire, on mémorise en début de test la mesure faite par le capteur, cette mesure initiale étant ensuite en permanence retranchée à la mesure faite en cours de test. On obtient ainsi de façon continue la mesure de l'usure entre les deux pièces. La présente invention consiste également en un procédé destiné à assurer la mise en oeuvre d'un test des caractéristiques dynamiques d'un lubrifiant selon le dispositif ci-dessus. Ce procédé est caractérisé en ce qu'il comporte une série de phases élémentaires. Chacune de ces phases fixe une valeur pour les paramètres de test tels que, notamment, pression de contact des pièces en frottement, température de l'huile, vitesse de la pièce mobile, une ou plusieurs de ces valeurs pouvant varier pendant la durée de la phase. I1 est en effet possible, par exemple, de fixer la pression de frottement et la vitesse de la pièce mobile tout en déterminant une loi de progression de la température entre une valeur initiale et une valeur finale dans un temps donné. Dans le procédé, chacune des phases élémentaires dont les valeurs caractéristiques et la durée ont été mémorisées sont exécutées successivement conformément à une séquence programmée, les moyens de contrôle programmables assurant pendant toute la durée du test la mesure et le stockage des grandeurs caractéristiques du comportement du lubrifiant, notamment la mesure de l'usure, des coefficients de frottement et des résistances électriques de contact entre les pièces. L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, et expliqué avec références aux dessins annexés - figure 1 : une représentation schématique d'une machine pour tester les lubrifiants dans laquelle les pièces d'essai sont soumises à un mouvement alternatif - figure 2 : une représentation schématique d'une machine pour tester les lubrifiants dans laquelle les pièces d'essai sont soumises à un mouvement de rotation - figure 3 : représente la boucle de régulation de la force appliquée entre les deux pièces - figure 4 : représente la boucle de régulation de température du lubrifiant - figure 5 : représente la boucle de régulation de la vitesse des deux pièces en mouvement relatif - figure 6 : représente le montage d'un capteur de déplacement destiné à mesurer l'usure entre les deux éprouvettes - figure 7 : représente le dispositif d'acquisition des données par l'ordinateur La figure 1 est un schéma représentant une machine où les pièces d'essai en frottement sont soumises l'une par rapport à l'autre à un mouvement alternatif. I1 s'agit d'un tribométre fabriqué par la société PLINT/CAMERON. Le principe de fonctionnement de la machine est le suivant. Dans un bac (1), destiné à recueillir et à contenir le lubrifiant à tester, est placée une éprouvette (11) représentative des pièces que devra, en service réel, lubrifier l'huile dont on fait le test. L'éprouvette (11) est en contact avec une autre (12) elle-même portée par un support (2) qui est actionné longitudinalement par l'intermédiaire d'un moteur (5) et d'un système bielle-manivelle (6).Dans la machine telle que proposée par le constructeur, le dispositif de mise en charge était réduit à un simple dynamomètre à cadran. Dans le dispositif selon l'invention, la charge est engendrée par un vérin (8) dont la tige est reliée au chassis de la machine et le corps à une pièce d'inversion de poussée (7) et transmise au support (2) par l'intermédiaire d'une tige (6), d'un bras de levier (5) agissant sur l'étrier (4) appuyant sur le support (2) via un dispositif à roulements (3). Le vérin, pneumatique ou hydraulique, doit présenter de très faibles frottements pour assurer une bonne précision de régulation. Pour ce faire, on choisit un vérin à membrane. Afin d'assurer l'égalité précise de la force et de sa consigne, on place un capteur d'effort (9) entre la pièce d'inversion de poussée (7) et la tige (6). La boucle de régulation est représentée sur la figure 3. La consigne de force est délivrée par un ordinateur (20) transmise à un régulateur (21) via un interface de communication (23). Le régulateur (21) assure la valeur de la charge appliquée par l'intermédiaire d'un capteur de force (9) et d'un convertisseur I/P (24) agissant sur le vérin (8). La régulation ainsi conçue permet de limiter dans tous les cas l'écart relatif entre consigne et mesure à 2 pour 1000. La figure 2 représente l'application de l'invention à un autre type de tribométre où les pièces mises en frottement ont un mouvement circulaire. I1 s'agit d'un appareil fabriqué par la société FALEX. Le principe de fonctionnement de la machine est le suivant : un axe (32) en matériau représentatif de ceux qu'aura à lubrifier l'huile ou la graisse en usage normal, est entraîné en rotation par un moteur. Deux sabots (31), en matériau représentatif, sont appliqués sur l'axe (32) par les bras (33) et (34) articulés en (35). A l'autre extrémité de ces bras on placera, selon l'invention, un vérin (8) agissant grâce à une pièce (37) portant un capteur d'effort (9). La boucle de régulation est identique à celle de la machine représentée dans la figure 1. Elle est donc représentée à la figure 3. I1 est à noter néanmoins que dans ce cas l'effort appliqué par le vérin est amplifié par l'effet de levier dû aux bras (33) et (34). Le rapport d'amplification peut atteindre dix. La régulation de température du lubrifiant est représentée sur la figure 4. La consigne de température est délivrée par le calculateur (20) à un régulateur (42) via un interface de communication (41). La mesure est assurée par un thermocouple (43). Le chauffage est assuré par une résistance chauffante (44) alimentée par un bloc de puissance (45). Un contact (46), piloté par le calculateur (20), autorise le chauffage. La régulation de vitesse des deux pièces en mouvement relatif, que ce soit le tribométre alternatif ou le tribométre rotatif, est représentée sur la figure 5. Le moteur est équipé d'origine d'un variateur de vitesse. Le calculateur (20) pilote au travers d'une interface (25) un générateur de tension (26). Cette tension est transmise au variateur de fréquence (27) au travers d'un coupleur optique (28) réalisant l'isolation électrique entre les deux systèmes ce qui évite que les tensions importantes qui pourraient apparaître au niveau du variateur de fréquence n'endommagent une partie de l'électronique de commande. Les deux éprouvettes mises en frottement par l'une ou l'autre des machines subissent une usure. Cette usure est fonction notamment de la plus ou moins grande efficacité du lubrifiant aussi est-il intéressant de suivre au cours d'un essai son évolution de façon continue. La figure 6 représente la manière dont le tribométre à mouvement alternatif à été équipé d'un dispositif permettant de suivre en permanence cette usure. Pour ce faire on mesure l'enfoncement progressif du dispositif de mise en charge dont le mouvement vertical est directement lié à l'usure entre les deux échantillons. Pour réaliser la mesure du déplacement de l'étrier on utilise un capteur capacitif (62) de préférence à des capteurs du type inductif dont la précision est moins bonne. En effet, aucune amplification de l'usure n'étant réalisée , il est nécessaire que le capteur soit à très grande résolution du fait des faibles usures mises en jeu, de l'ordre de quelques dizaines de microns. Ledit capteur est maintenu au dessus de l'étrier grâce à une potence à bras réglable (63) sur un montant fixe (64). Une pièce (61) amovible, de grande dureté, est intercalée entre l'étrier et le capteur afin de résoudre les problèmes d'usure vibratoire (fretting) dus aux vibrations éventuelles. Afin de suivre l'usure et non la position de l'étrier et ce avec la plus grande précision possible, on a utilisé le calculateur pour mémoriser, en début d'essai la position de l'étrier et pour soustraire en permanence cette valeur à toutes les positions ultérieures. On obtient donc en permanence la valeur de l'usure depuis le début du test. Le dispositif décrit ci dessus pour la mesure de l'usure sera appliqué de façon équivalente pour un tribométre rotatif. Dans ce cas le capteur de déplacement capacitif sera placé à l'extrémité des bras de levier, si bien que la mesure obtenue sera amplifiée d'un rapport dépendant des caractéristiques constructives de la machine. Les machines vendues dans le commerce permettent la mesure de la température du lubrifiant, de la résistance de contact et de l'effort de frottement entre les deux éprouvettes. Ces informations seront saisies par l'ordinateur mettant en oeuvre l'ensemble des opérations. Nous avons vu ci-dessus que l'ordinateur couplé au tribometre assure les fonctions de régulation de la charge, de la température et de la vitesse relative des deux pièces en frottement. Il assurera egalement la mise en route du moteur électrique et de la puissance de chauffe. Un exemple d'acquisition des données est représenté figure 7. Une carte (71) AD200 d'INFOTEK permet l'acquisition sur 12 bits de 16 voies normales à une fréquence de 100 kHz. Entre cette carte (71) et les différentes sources de signaux (75) on place deux modules d'adaptation de tension (72) et (73) afin de respecter la tension d'entrée de la carte d'acquisition. Les modules permettent de régler, grâce à des potentiomètres, le gain et l'offset sur le signal. La mesure d'usure/deplacement (74) quant à elle attaque directement la carte d'acquisition (71). Le logiciel distingue deux types d'acquisition, une dite rapide pour les signaux instantanés de frottement et de résistance de contact et une acquisition dite lente pour les autres mesures. L'acquisition rapide peut être visualisée en temps réel assurant ainsi une fonction oscilloscope. Le procédé d'évaluation des caractéristiques d'un lubrifiant est mis en oeuvre selon le dispositif ci-dessus. Ledit procédé est caractérisé en ce que l'on execute une série de phases élémentaires, lesdites phases etant exécutees successivement conformément à une séquence programmée exécutée par un calculateur. Chaque phase élémentaire fixe la valeur des diverses caractéristiques de test pour une durée donnée. Elles sont réalisées par la mise en oeuvre par l'ordinateur d'un programme commun dans lequel sont rentrées les valeurs des divers paramètres. On peut fixer, de façon interactive, la charge appliquée entre les deux éprouvettes, de zéro à la charge maximale admissible par le tribométre, la vitesse de la pièce mobile en fixant la vitesse du moteur entre zéro et la vitesse maximum admissible et la température du lubrifiant entre la température ambiante et quatre cents degrés celtius. Si pour l'un ou l'autre de ces paramètres aucune valeur n'est rentre dans le programme elle sera prise égale à une valeur par défaut. De même on entrera la durée totale de la phase. On distinguera le cas ou tous les paramètres sont fixes pendant toute la durée et le cas ou la phase permet pour un paramètre le passage d'une valeur à une autre selon une rampe générée par l'ordinateur. Si aucune durée n'est demandée elle est imposée par défaut. A titre d'exemple non limitatif, dans le cas d'une machine CAMERON PLINT, les gammes de réglage et les valeurs par défaut des divers paramètres sont de 2 à 50 hertz pour les fréquences d'essai la valeur par défaut étant de 20 hertz, de 5 à 250 newtons pour la charge la valeur par défaut étant de 40 newtons et de 20 à 400" C pour la température la valeur par defaut étant de 20 C. Pour cette même machine la durée de la phase peut être choisie entre 1 minute et 10 heures le temps par defaut étant de 1 heure. Si l'on désire générer des rampes, les durées des phases doivent être choisies compatibles avec les possibilités de variation des paramètres.Ainsi pour la machine CAMERON PLINT une rampe de charge pourra durer de 1 seconde à 5 minutes le temps par défaut étant égal à 40 secondes, une rampe de température pourra durer de 1 minute à 2 heures le temps par défaut étant egal à 20 minutes et une rampe de fréquence pourra durer de 10 secondes à 1 minute le temps par défaut étant égal à 30 secondes. Chacune des phases élémentaires sera caractérisée egalement par la possibilite d'acquérir pendant sa durée une ou plusieurs des mesures accessibles au calculateur notamment la mesure de l'usure, mise à zéro ou non au début de la phase, la résistance electrique de contact et la force de frottement entre les deux éprouvettes. On pourra ainsi prédéterminer autant de phases élémentaires qu'on le désire ces phases étant stockées par le calculateur. Leur nombre ne dépendra que de sa capacité. Toutes ces phases doivent alors être exécutées selon un ordre predetermine pour réaliser un test complet. L'ordinateur assurera la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Les étapes seront les suivantes - Choix de l'essai à réaliser : ou celui-ci existe en mémoire et il suffira de l'appeler ou il n'existe pas encore et il faudra le créer auparavant en enchaînant dans un programme les phases élémentaires précédemment mémorisées. - Création d'un fichier destiné à recevoir les valeurs mesurées pendant tout l'essai et préparation de la console de visualisation associée a l'ordinateur. - Initialisation de l'imprimante. - Lancement de la phase 1 et exécution des consignes et rampes avec acquisition de données si prévu par le programme. Les donnees acquises sont stockées au fur et à mesure de leur saisie sur le fichier crée à cet effet en début de test. - Lorsque la phase 1 est terminée, lancement automatique de la phase 2 prévue par le programme correspondant à l'essai choisi. - Lancement successif des phases jusqu'à la dernière. - Lancement d'une édition automatique des données relevees pendant le test sous forme d'un rapport d'essai. - Fin de l'essai. Les diverses étapes du procédé sont realisées conformément à un programme. Si ce programme existe, il sera appelé par le calculateur. S'il n'existe pas, il sera crée avant essai par l'opérateur qui, au fur et à mesure des demandes apparaissant à l'écran de la console, entrera successivement les phases élémentaires qu'il désire y faire figurer avec, si nécessaire, création de celles qui n'auraient pas encore éte créées. Au fur et à mesure de la création de ce programme le calculateur vérifie la compatibilité des diverses phases entre elles et en fin de creation vérifie la compatibilité globale du programme par rapport à l'essai envisagé. La mise en oeuvre du procédé permet donc de réaliser sur des machines du commerce modifiées selon l'invention des essais entièrement automatiques, parfaitement reproductibles et mis en oeuvre très facilement grâce au stockage des phases élémentaires et des enchaînements des phases en question dans la mémoire d'un calculateur. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif et au procédé sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Dispositif destiné à l'évaluation des performances de lubrifiants par mise en charge d'une pièce fixe (11) (31) sur une pièce mobile (12) (32), les deux pièces, entourées d'un bac à huile (1) étant en contact ponctuel, linéaire ou surfacique, caractérisé en ce qu'un vérin (8) agit sur une des pièces, un capteur d'effort (9) mesurant en permanence la force appliquée et la transmettant à un dispositif de régulation agissant sur le fluide de commande dudit vérin de façon que la force appliquée entre les deux pièces soit maintenue sensiblement égale à une consigne programmable, fixe ou variable dans le temps. 2 - Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le vérin (8) est d'un type à faible frottement, tel qu'un vérin à membrane. 3 - Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la température des pièces en frottement est maintenue égale à une consigne programmable par régulation de la température de l'huile baignant ou aspergeant lesdites pièces. 4 - Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le mouvement relatif des pièces est un mouvement alternatif 5 - Dispositif suivant la revendication 4 caractérisé en ce que la fréquence du mouvement maintenu égal à une consigne programmable par régulation de la vitesse d'un moteur (5) entraînant un système du type bielle manivelle (6). 6 - Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le mouvement relatif des pièces est un mouvement de rotation. 7 - Dispositif suivant la revendication 6 caractérisé en ce que la vitesse de rotation est maintenue égale à une consigne programmable par régulation de la vitesse d'un moteur. 8 - Dispositif suivant l'une des revendications 4 ou 7 caractérisé en ce que le couplage entre le variateur de vitesse (27) du moteur et les organes de commande est un couplage optique (28). 9 - Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'on mesure en permanence l'enfoncement progressif relatif d'une pièce par rapport à l'autre, enfoncement égal à l'usure entre les deux pièces au moyen d'un capteur de proximité (62) à grande résolution. 10- Dispositif suivant la revendication 9 caractérisé en ce que l'on mémorise en début de test la mesure faite par le capteur (62), cette mesure initiale étant en permanence retranchée à la mesure en cours de test le résultat de cette opération donnant de façon continue la valeur de l'usure au niveau du contact entre les deux pièces. 11- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le tribométre est couplé à un ordinateur (20) par un système d'acquisition de données. 12- Application du dispositif ci-dessus, selon l'une des revendications 1 à 11, à la mise en oeuvre d'un test des caractéristiques dynamiques d'un lubrifiant caractérisé en ce qu'il comporte une série de phases élémentaires consistant pour chacune d'entre-elles à imposer des valeurs programmées aux différents paramètres de test à savoir, notamment, pression de contact, température de l'huile, fréquence de la pièce mobile, une ou plusieurs de ces valeurs pouvant être variables pendant la durée de ladite phase, chacune de ces phases élémentaires de durée prédéterminée étant exécutées successivement conformément à une séquence programmee, les moyens de contrôle programmables assurant pendant toute la durée du test la mesure et le stockage des valeurs de l'usure, des frottements, des résistances de contact et des variables pilotées.