L’histoire de la tribologie

Nécessité est mère d’invention : c’est ce qu’ont déjà dû ressentir les hommes du néolithique (4000–1800 av. J.-C.). On peut tout à fait supposer que les Sumériens et les Égyptiens utilisaient des « lubrifiants » (bitume, huiles animales et végétales, eau) pour diminuer le frottement.

Il en existe de nombreux exemples :

• de simples paliers pour faire du feu et pour effectuer des forages à l’aide de mouvements de rotation
  
• des tours de potier avec du bois et des paliers en pierre
  
• des coussinets avec des passants en cuir pour des véhicules à rouleaux et à roues
  
• l’utilisation de lubrifiants comme l’huile, la graisse et l’eau 
  
• la construction de traîneaux pour transporter des pierres lourdes
  

Les Sumériens utilisaient déjà il y a près de 3 000 ans des passants en cuir et des fourches comme paliers pour les axes fixes de leurs chariots. Des trouvailles prouvent que de tels points de frottement étaient lubrifiés pour diminuer le frottement et en même temps l’usure.

Le palier à roulement doit son nom et son origine aux « corps de roulement » comme le bois rond que les Égyptiens utilisaient pendant la période des Pharaons.
Ce procédé permettait d’augmenter la vitesse de travail, de résoudre le problème du frottement et de rendre les tâches moins fatigantes.
L’idée de remplacer le frottement de glissement par le frottement de roulement remonte à très loin dans l’histoire des civilisations.

Quelques reliefs égyptiens montrent le transport d’énormes blocs de pierre destinés à la construction de monuments, qu’on faisait glisser sur des troncs d’arbre au lieu de rouleaux.

Le transport d’une statue égyptienne à la tombe de Tehuti-Hetep, El-Bersheh, a été retransmis en images et il montre qu’il eut déjà lieu à l’aide de patins lubrifiés en 1880 av. J.-C. :

On reconnaît clairement un homme sur l’image qui verse du lubrifiant devant les surfaces de glissement. Le sous-titre indique que le lubrifiant était de l’eau tandis qu’une inscription jointe au tableau fait référence à de l’huile d’olive en tant que lubrifiant.

Tout marche mieux quand c’est lubrifié. Les Égyptiens en étaient déjà conscients.

Le support du trône du Pharaon était mouillé avec de l’huile d’olive. La diminution du frottement permit d’épargner 50 % du personnel.

Dans les époques suivantes, on recourt comme auparavant surtout aux huiles végétales et animales en tant que lubrifiant et agent anti-usure. Mais on peut également supposer que le bitume (pétrole émergeant du sol) était utilisé, comme déjà dans l’Antiquité.

Les documents les plus anciens sur l’utilisation de roues pour diminuer le frottement.

L’ingénieur grec Diades développa peut-être un des premiers paliers à roulement qui servirent de paliers pour les béliers des navires de guerre.

Les restes d’un plateau tournant provenant d’un navire de l’empereur Caligula, trouvés vers 1930 au fond du lac Nemi, prouvent que ces paliers rudimentaires étaient déjà utilisés dans l’Antiquité.

Ce plateau peut être considéré comme un des premiers exemples de paliers de poussée, c’est-à-dire un palier destiné à absorber des charges directes et qui tourne sur son axe propre.

« Les sciences mécaniques sont les plus nobles et les plus utiles d’entre toutes, car par leur biais tous les corps animés exécutent l’opération pour laquelle ils ont été conçus. »
Une étude scientifique du sujet commença seulement dans l’histoire plus récente, à commencer par Léonard de Vinci qui se consacra au frottement autour de 1500 en étudiant le coefficient de frottement (coefficient d’adhérence) sur un plan incliné. De Vinci calcula la valeur du coefficient de frottement par f = ¼ et il formula les lois du frottement sec.

De Vinci a analysé le frottement sur un plan horizontal et incliné et l’usure de paliers de glissement. Il en résulta la première et la deuxième loi du frottement selon Léonard de Vinci.
En 1490, il remplaça le raccordement mobile entre deux pièces d’un palier à roulement presque exclusivement par un frottement de roulement plus faible. Il utilisa alors des billes.

Il en déduisit que le frottement est moins fort si les billes ne se touchent pas. Il développa alors des éléments de séparation permettant aux billes de se déplacer librement.

Dessins du domaine de la tribologie illustrant les expériences de Leonardo da Vinci sur le frottement

La Renaissance est considérée comme le véritable début de la tribologie. Les découvertes fondamentales concernant le frottement et l’usure ne menèrent cependant à aucun nouveau développement dans le domaine des lubrifiants.

Guillaume Amontons était un physicien français et gouverneur de Lille. 

Il mena des recherches dans le domaine du frottement mixte et il constata que la force de frottement dépend de la force normale et que la rugosité de surface doit être considérée comme source du frottement.
Amontons attribua le frottement à des causes mécano-géométriques dans le sens d’un « engrenage » d’inégalités. Cette théorie d’engrenage énonce : le procédé d’accouplement mécanique des éminences freine le mouvement relatif. Il en résulte une force de frottement dans le sens opposé au sens du mouvement. Amontons détermina le coefficient de frottement par f = 1/3.

Les deux lois d’Amontons constituent la base de la compréhension empirique de la tribologie (loi du frottement). Il les a redécouvertes et en 1699, il les présenta à l’Académie Royale à Paris. C’est en fait Léonard de Vinci (1452-1519) qui les avait découvertes environ deux cents ans auparavant.

Selon ces lois, la force de frottement est proportionnelle à la force normale et indépendante de la surface de contact apparente. En outre, il faut prendre en compte que la force de frottement ne dépend pas seulement de l’adhérence, mais également de l’abrasion. L’influence de l’abrasion est notamment très forte si le partenaire de contact consiste en un matériau plus dur ou si des résidus d’abrasion sous forme de particules de métal dures et oxydées se trouvent au point d’assemblage.

John Theophilius Desaguliers était un philosophe naturaliste né en France. 

Desaguliers développa un modèle pour expliquer le frottement et il attribua le frottement à l’influence de la cohérence ou de l’adhérence.

Desaguliers (1683-1744) présenta un nouvel aspect : il constata que les forces de frottement sont plus élevées lors de surfaces plus polies et il montra aussi que deux corps en plomb bien polis et pressés fortement l’un contre l’autre peuvent uniquement être séparés par une force d’une intensité surprenante : il reconnut ainsi la signification de l’adhérence ou de la cohérence pour le processus du frottement, mais il n’arriva pas encore à concilier son idée avec les lois quantitatives du frottement.

Newton définit la viscosité.

La théorie de l’adhérence ou bien la supposition d’une cause moléculaire-mécanique pour le frottement apparut lorsque NEWTON (1687) définit le paramètre de matériau de la viscosité dynamique. Cette définition est fondée sur l’idée d’une cause moléculaire-mécanique du frottement.

Euler étudia le frottement sur un plan incliné et il constata que le frottement d’adhérence est environ deux fois plus élevé que le frottement de glissement. En outre, il introduisit le coefficient de frottement « µ ». (Aujourd’hui, le coefficient de frottement est désigné par « f »).

Coulomb développa davantage les idées fondamentales d’Amontons concernant la rugosité de surface et le frottement mixte et il examina le rapport entre la force horizontale nécessaire et le pourcentage en poids.

Selon le modèle de Coulomb, le coefficient de frottement d’une telle surface ne dépend pas de la charge, c’est-à-dire que la force de frottement est proportionnelle au poids. De plus, le frottement est indépendant de la surface car il n’est qu’une fonction de l’angle d’inclinaison moyen des rugosités. Plus la surface est lisse, plus le coefficient de frottement devait être petit. Cette conséquence correspondait aux idées de l’époque et contribua à la reconnaissance du modèle de Coulomb. Le modèle de Coulomb contient désormais une grave erreur : il ne comporte pas de composants dissipatifs. L’énergie qui doit être apportée pour glisser les plans inclinés vers le haut doit resurgir quand les plans inclinés glissent vers le bas de l’autre côté. Le frottement de glissement selon Coulomb ne présente donc pas un processus absorbant de l’énergie.

Le modèle de la rugosité du frottement de Coulomb. La force normale FN est distribuée sur les élévations du même angle d’inclinaison.

Premier brevet connu d’un roulement rigide à billes par Philip Vaughan, Angleterre.

Philip Vaughan († 1824 à Kidwelly) né à Carmarthen était fondeur. Vers 1791, il inventa le roulement à billes et il le breveta en 1794.

Le mécanisme du palier à rouleau, ou palier à roulement, fut réinventé au 18ème siècle en Angleterre, lorsqu’un axe pour les calèches fut équipé d’une couronne de roulement dans les encoches des parties de rainure semi-circulaires qui étaient réparties sur cet axe.

On dut attendre jusqu’à la révolution industrielle pour réaliser des progrès dans le développement des lubrifiants. Ils résultèrent des connaissances acquises de la mécanique des fluides et de l’écoulement visqueux ainsi que de la demande croissante de lubrifiants, en volume et en qualité, induite par le développement industriel et de la rapide supplantation des huiles végétales et animales par les huiles minérales. Ces dernières furent obtenues par distillation et raffinage à partir de pétrole, schiste et charbon.

Roulement à rouleaux coniques breveté par M. Cardinet, France
Ce palier est très résistant, dans le sens radial comme dans le sens axial. Il est généralement monté par paires. Deux paliers sont posés l’un contre l’autre car le roulement se compose de deux éléments séparés : la bague intérieure avec les corps de roulement, et la bague extérieure comme coussinet.

Les corps de roulement sur la bague intérieure ont la forme d’un tronc de cône et ils sont légèrement inclinés vers l’axe de l’arbre. Le jeu est réglable. Les axes coniques de la bague intérieure, de la bague extérieure et des rouleaux coniques se rencontrent à un point de l’axe de rotation. Ce n’est qu’ainsi que les rouleaux coniques peuvent rouler sans glissement.

Le premier forage de pétrole à Titusville.

Les composants lubrifiants firent leur percée au 19ème siècle lors de l’industrialisation. À cette époque, il y eut une forte demande de paliers à fabrication industrielle en tant qu’éléments de machines. Les paliers à roulement se composent principalement de deux bagues mobiles qui se déplacent l’une vers l’autre : la bague intérieure et la bague extérieure, séparées par les corps de roulement. Dans la plupart des cas, les corps de roulement sont guidés par une cage qui les maintient à une distance égale l’un de l’autre et qui évite qu’ils se touchent.

La période entre 1850 et 1925 est considérée comme celle du « progrès technique ». Les chemins de fer figurent au centre des événements sociaux ; de la lubrification solide (précurseur des graisses), on passe aux lubrifiants liquides pour la lubrification des paliers et des surfaces de glissement. Des découvertes importantes conduisent à l’établissement des fondements de la tribologie. On avait dès lors à disposition, en quantité presque illimitée, un lubrifiant avantageux répondant à des exigences élevées : le lubrifiant à base d’huiles minérales, dont la vaste gamme sur le plan qualitatif pouvait être mise en œuvre dans presque tous les domaines de la technique.

La véritable époque de la tribologie débute après la Première Guerre mondiale. Contraintes, vitesse et températures élevées furent les signes d’une charge croissante du couple de frottement. La limite des anciennes propriétés physiques des lubrifiants dut être adaptée à des conditions plus sévères.     

Même si les premiers pas du développement technologique et de l’ajout aux lubrifiants remontent au 19ème siècle, les concepts modernes de cet ajout virent seulement le jour dans les années 30 du siècle passé. Les correcteurs d’index de viscosité apparurent, ainsi que les correcteurs de point d’écoulement, antioxydants, inhibiteurs de corrosion, etc., toute une gamme de dispositifs de protection. Parallèlement, le développement des huiles de synthèse fit son apparition, développement induit par les contraintes extrêmes dues aux températures élevées et maximales. Malgré leur grande importance, la part des lubrifiants de synthèse ne constitue qu’environ 5 % des lubrifiants conventionnels. Après la Seconde Guerre mondiale, on commença à se confronter au lubrifiant solide, le bisulfure de molybdène (MoS2), un lubrifiant exceptionnel pour des conditions exceptionnelles : exactement ce qu’il fallait pour l’application dans la recherche spatiale.

Le terme tribologie fut mentionné pour la première fois en 1966 dans le contexte du rapport Jost, une étude sur les pannes d’usure commissionnée par le gouvernement anglais. Depuis, il est utilisé dans le contexte du frottement, de l’usure et de la lubrification.

Les exigences se rapportant aux lubrifiants ont augmenté de façon drastique au cours des dernières décennies : des lubrifiants de synthèse ont été utilisés de plus en plus pour garantir une lubrification sûre. Ils sont surtout produits à base de pétrole, mais par le biais d’une synthèse chimique. Les lubrifiants de synthèse se caractérisent par diverses qualités : stabilité thermique élevée, coefficient de frottement bas, bonne mouillabilité du métal, faible tendance à l’évaporation, miscibilité avec de l’eau, et ils sont difficilement inflammables.

Les graisses lubrifiantes sont de la même famille que les huiles lubrifiantes.      
La graisse lubrifiante est utilisée à de nombreux endroits à la place de l’huile, car celle-ci coulerait. Les graisses lubrifiantes sont les huiles lubrifiantes épaissies. Les savons en lithium, en calcium ou en aluminium, ou des matières inorganiques comme la bentonite, servent par exemple d’épaississants.

Le domaine d’application des lubrifiants est extrêmement important car « rien ne fonctionne sans lubrification ».