Brevet FR2907903A1 — publié le 20080502

La présente invention est relative à une installation d'évaluation d'un lubrifiant comprenant une machine à quatre billes. Elle permet par exemple de suivre les caractéristiques anti-usure ou extrême-pression de lubrifiants. Actuellement, la durée de fonctionnement et la fiabilité des machines et mécanismes en général ne sont guère limitées par des ruptures brutales d'organe provoquées par un défaut de résistance des matériaux. Le choix et les performances accrus de ces derniers, les méthodes modernes de calcul de résistance, et les techniques de contrôle des pièces éliminent de plus en plus les risques d'incidents graves. Par contre, les mécanismes sont limités en durée et en performances par des phénomènes d'usure ou de défaillance de graissage, tels que le grippage, l'abrasion, le rayage, le piquage, l'écaillage, etc. On comprend donc aisément l'extrême importance des lubrifiants. Ceux-ci ont, pour résumer, quatre fonctions principales. En premier lieu, ils permettent de réduire les pertes par frottements. Cette propriété est la plus fondamentale. En effet, afin d'économiser de l'énergie et de réduire l'échauffement des pièces induit par frottement, on insère un film d'huile pour éviter le contact rugueux métal/métal. En deuxième lieu, ils permettent de combattre l'usure et la corrosion des surfaces frottantes. Ces moyens de lutte sont définis par le choix des bases qui constituent le lubrifiant, l'optimisation de leur viscosité à chaud et, surtout, l'incorporation d'additifs anti-usure, anti-corrosion, et d'additifs améliorant la résistance aux extrêmes pressions. En troisième lieu, ils permettent de refroidir les machines et d'évacuer les calories. Cette fonction réfrigérante est importante pour les moteurs thermiques, les mécanismes rapides comme les turbines, ou encore les réducteurs fonctionnant à grande vitesse. Enfin, ils permettent de neutraliser et d'évacuer les impuretés. Le lubrifiant permet de garder propres les surfaces avec lesquelles il est en contact, en évacuant les produits indésirables tels que les suies de combustion, les poussières, les débris d'usure ainsi que les produits de dégradation thermique ou chimique. 2907903 2 La défaillance de graissage conduit à de l'usure qui est un phénomène évolutif et irréversible. Chaque état d'un système détruit définitivement l'état précédent, de sorte qu'il est très difficile, voire impossible de reconstituer le passé à partir du 5 constat d'une dégradation. La compréhension d'une situation de défaillance de graissage nécessite que l'on puisse enregistrer, si possible en continu, les divers paramètres permettant de caractériser l'état du système étudié au fil du temps. Malheureusement, ces paramètres sont très nombreux et on estime 10 par exemple qu'il en faut entre cent et deux cents pour définir les seules caractéristiques géométriques d'une des surfaces frottantes, sans compter l'état physico-chimique des matériaux, les facteurs thermiques et mécaniques, etc. Tout ceci n'est réalisable que pour des essais en laboratoire, mais se révèle en général impossible pour un mécanisme réel en fonctionnement. 15 On a cependant proposé d'évaluer l'efficacité des lubrifiants, par exemple des huiles-moteur et des huiles de transmission, en utilisant une machine dite "machine à quatre billes". Pour résumer, dans une telle machine, trois billes maintenues fixes dans une coupelle sont immergées dans un échantillon d'huile, et une quatrième 20 bille tourne sur les trois autres dans des conditions données de vitesse, de charge, de température et de durée. Les conditions d'essais sont adaptées aux propriétés que l'on souhaite révéler, soit les performances extrême pression, soit les performances anti-usure. Après chaque essai, le plan d'usure des trois billes inférieures est coté 25 suivant deux diamètres perpendiculaires. On a représenté aux figures 1 et 2 annoncées, respectivement en coupe, une vue générale d'une telle machine à quatre billes et en perspective avec arrachement partiel, une vue de la coupelle qui l'équipe. La machine 1 de la figure 1 comporte un bâti 10 d'axe vertical 30 X-X', sur lequel est monté un plateau 11 qui supporte une coupelle 2 recevant trois billes 20 (deux billes seulement sont visibles sur la figure). Le plateau 11 repose lui-même par un système de roulement à billes sur un support 4, mobile dans le sens vertical. Ce support 4 constitue en quelque sorte un piston. Il est monté 35 coulissant par rapport au bâti 10 et est solidaire d'un bras dynamométrique 41, d'axe 2907903 3 transversal, monté pivotant autour d'un axe horizontal Y-Y'. A l'extrémité du bras qui est opposée au support est monté un organe de traction 42. On comprend que plus on exerce une traction importante sur l'organe 42, dans le sens de la flèche g, plus le plateau 11, et par là même la coupelle 2, sont 5 soumis à une force importante, dirigée verticalement dans le sens inverse de la flèche g. La quatrième bille 30 de la machine est disposée à l'extrémité d'un mandrin 31, lui-même entraîné en rotation autour de l'axe vertical X-X' précité, par l'intermédiaire d'un moteur rotatif 3. 10 Plus précisément et en se reportant à la figure 2, on constate que la coupelle 2 est formée d'un élément de fond discoïde 21, placé dans une pièce 22 dont les bords, remontant verticalement, ont leur paroi externe filetée. Les trois billes 20, préalablement nettoyées, sont placées à l'intérieur de la coupelle 2 et on les recouvre par une bague de serrage 23 afin de les maintenir 15 centrées. Un lubrifiant H est versé à l'intérieur de la coupelle de manière que son niveau dépasse le sommet des trois billes 20. On met alors en place sur cet ensemble un tenon de serrage supérieur 24, dont le filetage coopère avec celui de la pièce 22. 20 A titre indicatif, le couple de serrage est fixé à 11 daN. La coupelle est alors placée sur le plateau 11. La bague de serrage 23 est ainsi appuyée fermement sur les trois billes 20 de telle sorte que l'ensemble billes / bague de serrage / coupelle forme un ensemble solidaire. Une bille neuve 30 est placée dans le mandrin 31 du moteur 3 et 25 l'ensemble est mis en place au-dessus de la coupelle. La machine est alors prête à être utilisée. Les quatre billes 20 et 30 sont donc disposées selon un arrangement pyramidal à base triangulaire. Tel est donc l'état de la technique représenté notamment par le 30 document US-A-6,857,306. Dans un mode de réalisation décrit dans ce document, l'organe 42 est solidaire d'un vérin. Avec une telle machine, on s'attache essentiellement à déterminer l'efficacité du lubrifiant en fonction des diamètres d'empreinte des billes et des 35 traces d'usure qu'elles comportent. 2907903 4 La présente invention vise à améliorer cette technique selon laquelle on détermine l'efficacité du lubrifiant en fonction des empreintes des billes et du frottement appliqué, en proposant une installation incluant une machine à quatre billes qui permet d'évaluer automatiquement les propriétés tribologiques de ce 5 lubrifiant, en fonction d'un certain nombre de paramètres que l'on mesure. Il s'agit donc d'une installation d'évaluation tribologique d'un lubrifiant, notamment d'une huile-moteur ou d'une huile de transmission, qui comporte une machine à quatre billes comprenant : - une coupelle contenant trois billes identiques, maintenues fixes et 10 immergées dans un bain dudit lubrifiant ; - une quatrième bille disposée sur et en contact avec les trois premières, cette bille étant reliée à des moyens d'entraînement en rotation sur elle-même; - ladite coupelle étant associée à un bras dynamométrique, lui-15 même couplé à un vérin, notamment pneumatique, pour faire varier la charge appliquée par les trois billes sur la quatrième. Cette installation est remarquable par le fait qu'elle comporte également des moyens de mesure d'au moins les paramètres suivants : - valeur de ladite charge ; 20 - température de la coupelle ou du bain ; valeur de déplacement du bras ; force de frottement appliqué à la coupelle ; valeur de rotation (vitesse) de la quatrième bille. ainsi que des moyens informatiques aptes à piloter, en fonction du 25 temps, une variation de ladite charge et à enregistrer, également en fonction du temps, les valeurs desdits paramètres. Ainsi, selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de ce procédé : lesdits moyens de mesure comprennent des capteurs et/ou des 30 sondes ; - lesdits moyens informatiques sont aptes à piloter une augmentation progressive et continue de la valeur de ladite charge ; - lesdits moyens informatiques sont aptes à piloter une augmentation progressive de la valeur de ladite charge, par paliers successifs ; - lesdits moyens d'entraînement en rotation consistent en un moteur à pas variable ; 2907903 5 - lesdits moyens sont aptes à piloter une augmentation progressive et continue de la vitesse de rotation de ladite quatrième bille ; - lesdits moyens informatiques sont aptes à piloter une augmentation progressive et continue de la vitesse de rotation de ladite quatrième 5 bille, par paliers successifs ; - lesdits moyens sont aptes à piloter, en fonction du temps, une variation de ladite température de la coupelle ou du bain ; -lesdits moyens informatiques sont aptes à établir une représentation graphique, en fonction du temps, des différents paramètres mesurés. 10 D'autres caractéristiques et avantages de la description apparaîtront de la description détaillée qui va suivre. Cette description sera faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 3 est un schéma montrant une installation selon 15 l'invention, - la figure 4 est un graphique qui regroupe, en fonction du temps, des courbes représentatives de quatre paramètres mesurés avec l'installation de la figure 3. Cette installation comporte une machine 1 qui présente une 20 physionomie sensiblement identique à celle décrite en référence aux figures 1 et 2. Ainsi, les éléments identiques ou similaires portent des références identiques. On notera ici que l'organe 42 est solidaire de la tige d'un vérin V, relié au sol S, ce vérin étant de préférence un vérin électropneumatique. Un ensemble de capteurs équipe cette machine. 25 En premier lieu, un capteur El (du genre thermocouple TypeK) mesure la température de la coupelle 2. Un capteur E2 (du type FGP de déplacement) mesure la valeur du coefficient de frottement appliqué à la coupelle 2. Le capteur E3 (de type ampérométrique) mesure la vitesse de rotation 30 du moteur 3. Le capteur E4 (de type FGP de positionnement) mesure la valeur de déplacement du bras dynamométrique 41. Enfin, le capteur E5 (de type FGP de déplacement) mesure la charge appliquée par le vérin V. 2907903 6 Les valeurs mesurées par l'ensemble de ces capteurs sont envoyées à un ordinateur F qui les enregistre au moyen d'un logiciel d'acquisition de données ACQ. Préalablement, on aura de préférence étalonné les différents capteurs 5 en comparant les valeurs données par le logiciel à des valeurs étalonnées. Les moyens informatiques sont avantageusement aptes à piloter une, augmentation progressive de la valeur de la charge appliquée à la coupelle et, à intervalles de temps réguliers, à mesurer au moins les paramètres suivants : - valeur de cette charge ; 10 - température de la coupelle ou du bain ; - valeur de déplacement du bras ; - force de frottement appliqué à la coupelle ; - valeur de rotation (vitesse) de la quatrième bille. Ladite augmentation progressive de la charge peut se faire par paliers 15 successifs. Avantageusement, ces paliers sont de mêmes valeurs et à intervalles de temps identiques. On aura pris soin, préalablement, de régler les paramètres suivants : - la durée d'impulsion, c'est à dire le temps pendant lequel le vérin 20 va tirer sur le bras ; -le temps d'attente impulsion, qui est le temps entre deux impulsions ; -la fréquence d'acquisition, qui est le temps entre deux mesures ; - le nombre de phases. Ainsi, on peut avantageusement réaliser une acquisition de données à partir d'une valeur initiale de charge de 20 daN, avec une valeur finale de 110 daN, une montée en charge par paliers de 10 daN et une durée de paliers de 10 mn. Ainsi, il faut 1 h 40 mn pour engranger l'ensemble des données. Mais on pourrait aussi atteindre une valeur finale de 500 daN. Ledit logiciel est alors en mesure d'interpréter les paramètres enregistrés et de les restituer sous forme de tableaux et de graphiques. Ainsi, à titre d'exemple, on représente graphiquement l'évolution des paramètres dont il a été fait état plus haut, en fonction du temps. La figure 4 donne un exemple d'une telle interprétation graphique. Il y est donné, en fonction du temps : - sur la courbe A, l'évolution de la température de la coupelle ; 25 30 35 2907903 7 - sur la courbe B, l'évolution de la charge appliquée à la coupelle ; - sur la courbe (2, l'évolution du déplacement du bras dynamométrique ; - et sur la courbe D., l'évolution du coefficient de frottement des 5 billes. Cette représentation graphique permet d'évaluer les propriétés antiusure du lubrifiant, notamment à partir de la courbe C de déplacement du bras dynamométrique. Ainsi, dans la zone supérieure C2, on constate que la courbe de 10 l'évolution de déplacement du bras prend une pente positive, de sorte qu'il s'en déduit une augmentation de l'usure. Entre chaque palier, lors de la montée en charge, on a une forte augmentation du déplacement, qui est due à la déformation élastique des billes causée par la montée en charge. 15 Cette déformation élastique est décroissante lorsque les charges augmentent. Cette courbe peut également prendre une pente négative qui correspond à une dilatation des billes lorsque l'on a une élévation de température très rapide. 20 Elle peut également prendre une pente nulle qui équivaut à peu ou pas d'usure. C'est la partie inférieure Cl de la courbe C. On remarque par ailleurs que la courbe de température est en relation directe avec la courbe de déplacement. Lorsque des microgrippages se forment, il s'en suit une augmentation de la température. 25 De même, la courbe de coefficient de frottement est en relation directe avec la courbe de déplacement du bras dynamométrique, donc de l'usure. Selon une variante de réalisation, des capteurs de guidage du vérin peuvent être installés afin de pouvoir piloter les vitesses de montée en charge. La mise en place d'une unité de pilotage de la température par 30 l'intermédiaire d'un cryostat peut également constituer une variante supplémentaire. Cette installation permet donc, avec un temps opérateur réduit, de discriminer différents types de lubrifiants, tout en autorisant des mesures directes d'usure sur les billes, conformément à la méthode connue selon l'état de la technique. REVENDICATIONS 1. Installation d'évaluation tribologique d'un lubrifiant, notamment d'une huile-moteur, qui comporte une machine à quatre billes comprenant : - une coupelle (2) contenant trois billes identiques (20), maintenues fixes et immergées dans un bain (4) dudit lubrifiant ; - une quatrième bille (30) disposée sur et en contact avec les trois premières (20), cette bille (30) étant reliée à des moyens (3) d'entraînement en rotation sur elle-même, avantageusement à vitesse variable ; - ladite coupelle (2) étant associée à un bras dynamométrique (41), lui-même couplé à un vérin (V), notamment pneumatique, pour faire varier la 10 charge appliquée par les trois billes (20) sur la quatrième (30), caractérisée par le fait qu'elle comporte également des moyens de mesure (C1, C2, C3, C4, C5) d'au moins les paramètres suivants : - valeur de ladite charge ; - température de la coupelle (2) ou du bain (4) ; 15 - valeur de déplacement du bras (41) ; -force de frottement appliqué à la coupelle (2) ; - valeur de rotation (vitesse) de la quatrième bille (30). ainsi que des moyens informatiques (F) aptes à piloter, en fonction du temps, une variation de ladite charge et à enregistrer, également en fonction du 20 temps, les valeurs desdits paramètres. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée par le fait que lesdites moyens de mesure (C1, C2, C3, C4, C5) comprennent des capteurs et/ou des sondes. 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait 25 que lesdits moyens informatiques (F) sont aptes à piloter une augmentation progressive et continue de la valeur de ladite charge. 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée par le fait que lesdits moyens informatiques (F) sont aptes à piloter une augmentation progressive de la valeur de ladite charge, par paliers successifs. 30 5. Installation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que lesdits moyens d'entraînement en rotation consistent en un moteur (3) à pas variable. 2907903 9 6. Installation selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que lesdits moyens informatiques (F) sont aptes à piloter une augmentation progressive et continue de la vitesse de rotation de ladite quatrième bille. 7. Installation selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par 5 le fait que lesdits moyens informatiques (F) sont aptes à piloter une augmentation progressive et continue de la vitesse de rotation de ladite quatrième bille, par paliers successifs. 8. Installation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que lesdits moyens sont aptes à piloter, en fonction du temps, une variation 10 de ladite température de la coupelle (2) ou du bain (4). 9. Installation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait que lesdits moyens informatiques (F) sont aptes à établir une représentation graphique, en fonction du temps, des différents paramètres mesurés.