Optimisation de la surface des vis à filet trapézoïdal – analyse tribologique et application

Les vis à filet trapézoïdal sont idéales pour la transmission de charges lourdes et sont souvent utilisées dans les systèmes de levage. Dans le cadre d’un projet de coopération entre l’Institut de technologie de production et des machines-outils (IFW) et l’entreprise Bornemann Gewindetechnik, une modification du procédé de tourbillonnage de filets a été étudiée afin d’optimiser les propriétés tribologiques des vis à filet. L’utilisation de microstructures générées par tourbillonnage permet de réduire les pertes par frottement de 25,5 % et de diminuer significativement l’usure adhésive.

1 Introduction

Pour la fabrication de longues vis à filet, fréquemment utilisées dans les systèmes de levage, différents procédés de fabrication sont disponibles, notamment le roulage de filets et le tourbillonnage de filets [1]. Lors de la conception du processus de fabrication d’éléments de machine standardisés tels que les vis à filet trapézoïdal, le comportement en service et la durée de vie ne sont pas pris en compte [2].

Lors de la conception de surfaces soumises à des sollicitations par frottement glissant, il est essentiel de prendre en compte les régimes de frottement – frottement limite, frottement mixte et frottement hydrodynamique – qui sont classifiés à l’aide de la courbe de Stribeck [3]. En régime hydrodynamique, la force est transmise par le film lubrifiant, tandis que la force de frottement est générée par la friction interne du lubrifiant [3–5]. Celle-ci est proportionnelle à la surface de contact, à la viscosité du lubrifiant et au taux de cisaillement de l’épaisseur du film lubrifiant. Dans le cas du frottement mixte, le film lubrifiant est localement interrompu par des aspérités isolées qui participent alors à la transmission de la charge [4]. Ce phénomène constitue un inconvénient, en particulier à faible vitesse de glissement, en ce qu’il compromet l’établissement et le maintien du régime de lubrification hydrodynamique [6].

Le contact direct entre les deux triboéléments peut entraîner une augmentation de la consommation d’énergie [7]. Les microstructures peuvent avoir des effets bénéfiques par le biais de divers mécanismes. Par exemple, elles peuvent servir de réservoirs de lubrifiant [8], et des élévations localisées dans le film lubrifiant peuvent induire une augmentation de la pression portante lorsque le lubrifiant s’écoule sur celles-ci [9]. Un effet de pression hydrodynamique peut se développer dans les microstructures définies. Tant les effets de cavitation [4] que l’accumulation de pression portante dans des microstructures successives jouent un rôle à cet égard [10, 11]. Ces études suggèrent que la topographie de surface des vis à filet trapézoïdal offre un fort potentiel de réduction du frottement grâce aux microstructures en raison du contact glissant fortement sollicité. Les microstructures destinées à réduire les pertes par frottement dans les contacts glissants peuvent être générées par des procédés de fabrication tels que l’usinage de dégrossissage à plat ou le marquage laser [10, 12].

Le procédé de tourbillonnage, en tant que processus d’usinage, présente un fort potentiel pour une microstructuration intégrée au processus, car il permet par exemple une productivité nettement plus élevée que le fraisage de filets [1, 13]. Jusqu’à présent, les études sur la structuration de surface par tourbillonnage ont été menées uniquement comme un processus de structuration supplémentaire et non comme une fonctionnalisation intégrée de la structure de surface [14]. Différentes approches de microstructuration en tant que processus de fabrication distinct existent [12, 15], mais elles nécessitent un effort d’intégration considérable en raison de l’ajout d’une étape de processus supplémentaire. Dans une étude, Denkena et al. ont montré une amélioration des propriétés tribologiques des surfaces soumises à de fortes sollicitations thermomécaniques, comme dans les chemises de cylindre, grâce à la microstructuration [12]. En tant que procédé d’usinage par enlèvement de matière, le tourbillonnage offre un potentiel spécifique pour la fonctionnalisation des structures de surface en raison des structures générées sur le flanc du filet (Figure 1).

Un défi spécifique lié à l’utilisation d’éléments tribologiques métalliques en frottement glissant est l’apparition d’adhésion en cas de lubrification insuffisante ou de surcharge. Cela peut entraîner une usure adhésive du partenaire tribologique ayant une dureté inférieure ainsi qu’un transfert de matériau vers le partenaire présentant une dureté plus élevée dans le contact glissant [7, 17]. La topographie de surface et la surface de contact réelle dans le contact glissant jouent un rôle déterminant dans le risque d’adhésion précédemment décrit en cas de lubrification insuffisante [7, 16, 17]. Le contact direct entre les deux éléments en friction est une condition fondamentale pour l’adhésion et est défini par le nombre total de microcontacts.

Dans les contacts glissants soumis à une pression de surface élevée, l’épaisseur du film lubrifiant est réduite, ce qui entraîne une transition du régime de frottement mixte vers le frottement limite, accompagnée d’une augmentation du coefficient de frottement [3]. Denkena et al. ont également montré que des structures de surface de faible profondeur peuvent réduire le coefficient de frottement et induire une transition vers le régime de frottement mixte, où coexistent le frottement des solides et le frottement fluide [12]. Pour les éléments tribologiques en acier-bronze soumis à un frottement glissant, une profondeur de structure de surface de 2 à 5 μm s’est avérée particulièrement bénéfique pour réduire le frottement [16]. Un autre phénomène pouvant survenir en cas de lubrification insuffisante ou à faible vitesse relative est l’effet stick-slip. Celui-ci entraîne une adhérence temporaire des éléments tribologiques avant qu’un mouvement de glissement ne reprenne [18]. Une occurrence fréquente de l’effet stick-slip due à un manque de lubrifiant entraîne une augmentation de l’usure adhésive et, par conséquent, une défaillance prématurée des composants [19].

L’influence des microstructures sur le flanc de filet sollicité des vis trapézoïdales sous fortes charges n’a pas encore été étudiée, bien qu’elle offre un fort potentiel d’amélioration de l’efficacité par la réduction des pertes par frottement. De plus, aucune connaissance n’est disponible concernant l’impact des microstructures sur l’usure dans le système vis-écrou. L’objectif de cet article est donc de combler cette lacune en étudiant l’influence des structures de surface générées par le procédé de tourbillonnage sur le comportement tribologique des vis trapézoïdales fortement sollicitées dans les systèmes de levage pour charges lourdes, et ce dans des conditions réelles.

L’étude portera sur un procédé de tourbillonnage spécialement développé pour une microstructuration intégrée au processus. Dans le cadre de cette recherche, différentes structures de surface seront présentées et leur influence sur la réduction du frottement dans le système global sera évaluée, ainsi que leur capacité à retenir le lubrifiant sur la surface, afin de limiter les dépôts adhésifs sur la vis et l’usure adhésive au niveau de l’écrou.

2 Configuration expérimentale

2.1 Essai tribologique

Le banc d’essai présenté dans la Figure 2 est utilisé pour analyser l’influence de la topographie de surface des flancs de filet sur le comportement tribologique. Les vis d’essai, présentant un filetage Tr80×10 mm, ont été soumises à une oscillation avec une fréquence de f = 0,81 Hz sur un angle de ν = 15°. Une rotation correspondant à un cycle de charge équivaut à un déplacement linéaire de 0,42 mm de la vis à filet. Dans cette configuration, la vis à filet a été sollicitée avec une force gravitationnelle de FG = 91,3 kN lors des phases de levage et d’abaissement. Cela correspond à une pression de contact de p = 5,0 N/mm², valeur représentative du domaine de charge maximale des entraînements à vis trapézoïdale dans les systèmes de levage pour charges lourdes. Pour cette application, le matériau de l’écrou choisi est le G-CuSn 7 ZnPb. Le lubrifiant utilisé est la graisse DGM HTF 940, spécialement conçue pour les paliers lisses. La lubrification au cours du test a été effectuée selon un intervalle de maintenance d’un mois, ce qui correspond à une lubrification de l’assemblage vis-écrou toutes les 167 oscillations. Le banc d’essai a été conçu par Sincotec, qui est également le fabricant du capteur de force Interface 125 kN et du capteur de couple SincoTec 1200 Nm.

L’état d’usure des surfaces a été analysé afin de caractériser les propriétés de frottement des différentes topographies de surface et de leurs structures correspondantes. À cette fin, les vis à filet ont été découpées à l’aide d’une meule de tronçonnage. Avec 20 000 cycles de charge, une durée de vie de 10 ans a été reproduite expérimentalement pour les vis à filet étudiées.

Pour l’étude du comportement tribologique, quatre vis à filet ont été préparées, dans lesquelles différents paramètres du procédé de tourbillonnage ont été comparés à ceux d’une vis roulée (Tableau 1). Pour les vis tourbillonnées, les paramètres de processus ont été sélectionnés de manière à obtenir des variations définies des hauteurs de la structure de surface sur les flancs de filet soumis à charge. La série de tests 1 comprend des vis à filet roulées, fabriquées par le procédé de roulage continu. Les paramètres spécifiques du procédé sont basés sur l’expertise de Bornemann. La série de tests 2 a été réalisée avec des paramètres de tourbillonnage correspondant à l’état de l’art et sert de référence supplémentaire pour la nouvelle structure de surface développée.

Dans les séries de tests 3 et 4, les structures de surface développées dans cette étude ont été réalisées en deux étapes afin d’augmenter à la fois la hauteur de la structure de surface yf et la longueur de la structure de surface sf. Une augmentation de ces deux paramètres structurels entraîne une augmentation du volume de rétention du lubrifiant dans la surface. La série de tests 3 présente une hauteur théorique de structure de yf = 2,31 μm avec un espacement des structures de sf = 3,67 μm. Dans la série de tests 4, les paramètres structurels sont encore plus marqués avec yf = 3,61 μm et sf = 4,59 μm. Cela met en évidence la limitation de l’ajustabilité des structures en raison du procédé de tourbillonnage: une augmentation de la hauteur de structure yf entraîne inévitablement une augmentation de la longueur de structure sf.

2.2 Mesure de la structure de surface

Le système de mesure optique Duo Vario de Confovis GmbH est utilisé pour analyser les topographies de surface 3D générées expérimentalement. Les topographies de surface sont capturées par microscopie confocale en lumière blanche. La mesure confocale a été réalisée avec un objectif Nikon 20×/0,45 NA. Pour l’analyse des surfaces de flanc, une résolution latérale de 0,20 μm a été utilisée. La zone mesurée, d’une largeur de 2,26 mm et d’une longueur de 8,71 mm, a été enregistrée avec une résolution de 0,28 μm. Les vis à filet générées expérimentalement ont été positionnées en orientation orthogonale par rapport au flanc du filetage pour la mesure.

3 Application et caractérisation de la topographie de surface

Application et caractérisation de la topographie de surface

Les résultats suivants montrent comment la topographie de surface du flanc du filetage peut être spécifiquement ajustée par le procédé de tourbillonnage et en quoi elle diffère de la topographie limitée obtenue par le procédé de roulage de filets. La Figure 3 illustre les topographies de surface du flanc du filetage d’une vis trapézoïdale roulée en comparaison avec celles d’une vis tourbillonnée.

La topographie de surface de la série de tests 1 montre qu’aucune texture de surface n’est générée lors du procédé de roulage de filets. La vis tourbillonnée de la série de tests 2 ne présente pas de différences significatives en termes de topographie de surface par rapport à la série de tests 1, et aucune texture de surface n’est également identifiable. Grâce à un ajustement ciblé du procédé de tourbillonnage, il a été possible de générer des textures de surface nettement plus marquées dans les séries de tests 3 et 4. Dans ces séries, la hauteur de texture y_f et la longueur de texture s_f ont été progressivement augmentées afin de créer des textures de surface avec une faible proportion de pics, minimisant ainsi le contact direct solide-solide entre les surfaces des éléments tribologiques. L’augmentation de l’espacement entre les pics de la texture de surface permet de retenir le lubrifiant dans les vallées du profil de rugosité.

En raison de l’apparition d’effets de rugosité stochastiques lors de l’usinage, qui influencent la surface technique en tant qu’écarts de forme de quatrième ordre, la texture de surface moins marquée de la série de tests 2 est superposée. Cette superposition rend difficile la détermination des paramètres de texture, qui présentent une faible hauteur de texture y_f = 0,82 μm et une longueur de texture s_f = 1,63 mm. De ce fait, la série de tests 2 ne diffère pas de manière significative de l’échantillon roulé en raison de cette faible texture de surface. Les effets de rugosité stochastiques générés au cours du procédé de tourbillonnage sont principalement causés par la rugosité du tranchant de l’outil de tourbillonnage, également connue sous le nom d’écaillage. Cet écaillage se reproduit en forme négative sur la nouvelle surface créée pendant l’usinage [20]. La topographie des séries de tests 3 et 4 montre des rainures caractéristiques récurrentes, générées par ces écaillages. Lorsque la hauteur de texture y_f est inférieure à la rugosité Rz du tranchant de l’outil de tourbillonnage, la texture est masquée et la texture caractéristique du procédé de tourbillonnage ne se manifeste pas. Ce phénomène est observable dans les profils de rugosité des flancs de filetage (Figure 4).

La mesure est également biaisée par le fait que la forme du filetage, approximée mathématiquement, est soustraite de la topographie de surface, ce qui entraîne une légère réduction de la hauteur de texture aux bords de la zone de mesure (Figures 3 et 4).

4 Évaluation tribologique

Les effets des textures de surface générées par tourbillonnage sur le système tribologique vis-écrou des vis trapézoïdales utilisées dans les systèmes de levage pour charges lourdes ont été analysés à l’aide du banc d’essai décrit dans la section 2.2. Lors de la conception des vis trapézoïdales, le coefficient de frottement est souvent supposé constant par simplification. Cependant, ce coefficient ne peut pas être considéré comme une propriété intrinsèque du matériau, car il est influencé par l’ensemble des composants du système tribologique. Afin de caractériser l’influence de la topographie de surface sur ce système, toutes les variables influentes sont maintenues constantes. Seule la texture de surface induite par le procédé de fabrication est modifiée dans les différentes séries de tests.

4.1 Analyse du coefficient de frottement

Dans les systèmes de levage pour charges lourdes, les vis de mouvement sont généralement disposées verticalement, ce qui entraîne une sollicitation de la flanc du filetage sous charge aussi bien lors du levage que de l’abaissement. Pour calculer le coefficient de frottement dans un filetage trapézoïdal, la friction sur un plan incliné peut être utilisée comme modèle [21]. La force normale F_N peut être déterminée à partir de la force gravitationnelle F_G et de la force de frottement F_R, calculée à partir du moment de frottement nécessaire à la rotation, en utilisant les relations géométriques du système. Cela conduit à un moment de frottement requis nettement plus élevé lors du levage. Étant donné que le moment de frottement est mesuré dans le banc d’essai et que la force gravitationnelle F_G est maintenue constante, le coefficient de frottement μ peut être calculé à partir de ces variables. La détermination séparée du coefficient de frottement μ pour le levage et l’abaissement est rendue possible par la prise en compte des différentes orientations des composantes de force. L’évolution exemplaire du coefficient de frottement pour ces deux mouvements, mesurée pour la vis roulée de la série de tests 1, est représentée dans la Figure 5. En tenant compte des différentes orientations de force, les deux types de mouvement présentent une évolution similaire du coefficient de frottement. Malgré un couple d’entraînement plus élevé requis pour le levage, un comportement caractéristique du coefficient de frottement est observé pour une vis trapézoïdale au cours de 20 000 cycles de charge. Le coefficient de frottement moyen pour les deux mouvements augmente fortement au début du test, atteint un maximum après environ 2000 cycles, puis diminue progressivement jusqu’à un niveau stable vers 8000 cycles. Ce comportement correspond à la phase de rodage, qui décrit l’évolution générale du coefficient de frottement tout au long du test, en fonction du système tribologique [22]. Le mouvement oscillant sur un petit angle simule un court déplacement de levage et d’abaissement lors d’un changement de charge. Le profil de vitesse résultant au sein d’un cycle de charge comprend une phase d’accélération, une phase de vitesse constante, puis une phase de décélération, tant pour le levage que pour l’abaissement. L’effet stick-slip, qui se produit à faibles vitesses, est particulièrement favorisé au point d’inversion de la direction du mouvement. Cet effet se traduit par une adhésion temporaire des surfaces, suivie d’un glissement soudain des éléments tribologiques. Ce phénomène peut induire des vibrations, qui se manifestent par une plus grande variation du coefficient de frottement [19]. Dans la Figure 5, cet effet est visible sous la forme d’une forte variation du coefficient de frottement au cours des 5000 premiers cycles de charge.

Un coefficient de frottement constant pour le filetage trapézoïdal étudié Tr80×10 mm est atteint après environ 8000 cycles de charge. Au cours de la phase de rodage, on observe une augmentation initiale du coefficient de frottement lors de l’essai des filetages trapézoïdaux roulés, accompagnée d’une forte variation du coefficient de frottement. Le coefficient de frottement maximal est associé à la plus grande variation, ce qui indique une occurrence accrue de l’effet stick-slip, pouvant entraîner une usure adhésive accrue. En raison des profils similaires du coefficient de frottement pour les deux types de mouvement, seule la phase de levage, plus exigeante en termes de force, sera analysée dans la suite de l’étude.

Il existe une différence marquée dans l’évolution des coefficients de frottement des surfaces représentées dans la Figure 3. Bien que les séries de tests 1 et 2 diffèrent par leurs procédés de fabrication – roulage de filets et tourbillonnage de filets –, les deux échantillons présentent une topographie de surface similaire, avec quasiment aucune texture de surface (Figure 3). Cette similitude se reflète également dans l’évolution des coefficients de frottement (Figure 6). Alors que le coefficient de frottement de la série de tests 1 présente un maximum significatif, aucun maximum n’est observé dans la série de tests 2 au cours de la durée du test. Cependant, dans les deux cas, un niveau constant est atteint après un nombre de cycles de charge similaire (L ≈ 8000).

Le coefficient de frottement moyen μ_m sur l’ensemble de la durée du test prend également une valeur similaire pour les deux essais. Une phase de rodage est observée aussi bien pour la vis tourbillonnée que pour la vis roulée, conduisant par la suite à un coefficient de frottement très constant, avec une faible variation autour de μ = 0,1. Dans la série de tests 3, avec une hauteur de texture de y_f = 2,31 μm, une phase de rodage nettement plus courte est observée, se terminant après environ 4500 cycles de charge. Le coefficient de frottement moyen peut être réduit dans la série de tests 3 à μ_m = 0,098, par rapport à la vis roulée (μ_m = 0,115) et à la vis tourbillonnée sans texture (μ_m = 0,112), ce qui correspond à une réduction de 14,6 % du coefficient de frottement. Une réduction encore plus marquée est observée dans la série de tests 4 (y_f = 3,61 μm), où la texture de surface introduite réduit la phase de rodage d’environ 44 % et abaisse durablement le coefficient de frottement à un niveau inférieur de μ_m = 0,085, soit une réduction de 25,5 % par rapport à la vis roulée. Cependant, une élimination complète de la phase de rodage n’a pas pu être obtenue avec ce filetage dans le système tribologique décrit.

4.2 Analyse de l’usure adhésive

L’usure qui se produit lorsque la vis et l’écrou entrent en contact est déterminante pour la durée de vie du mécanisme à filetage trapézoïdal. Afin d’identifier les mécanismes d’usure affectant la vis à filet sous charge, la surface du flanc de filetage sollicité a été examinée après 20 000 cycles de charge sous une force gravitationnelle de F_G = 91,3 kN, avec un apport régulier de lubrifiant (Figure 7). Après le test, les séries de tests montrent des motifs d’usure nettement différents, en fonction de la structure de surface du flanc de filetage sous charge. Les séries de tests 1 et 2, qui ont été testées sans structure de surface sur le flanc sollicité, présentent des dépôts adhésifs marqués sur la vis à filet. Cela est dû à une élimination importante ou à une usure adhésive du matériau de l’écrou. Avec l’augmentation de la hauteur de structure, de la série de tests 3 à la série de tests 4, le degré d’usure adhésive diminue de manière significative (Figure 7).

Afin de caractériser la partie du flanc de filetage sous charge couverte par des dépôts adhésifs, une analyse colorimétrique des images microscopiques a été réalisée afin de quantifier les dépôts majoritairement rouges, causés par la présence de cuivre dans le matériau G-CuSn 7 ZnPb. L’analyse du pourcentage d’adhésion en fonction de la surface du flanc sous charge montre que la vis trapézoïdale roulée présente le taux d’adhésion le plus élevé, avec 36,3 % (Figure 8). La série de tests 2, avec des flancs de filetage tourbillonnés, affiche la plus grande variation du taux de surface couverte, avec 27,4 % et un écart-type de 13,1 %. Après la durée de fonctionnement expérimentale simulée, certaines zones de la surface de cette série de tests sont recouvertes jusqu’à 45,4 % de résidus adhésifs. Le motif d’usure observé pour la série de tests 4 montre qu’une hauteur de structure de y_f = 3,61 μm a permis de réduire la part de l’usure adhésive et de la limiter aux zones des pics de rugosité (Figure 8a).

En raison de la faible vitesse de glissement et de la forte pression de contact dans le contact tribologique, la friction dans le système tribologique est distinguée entre le frottement des solides et le frottement mixte.

L’usure adhésive sur le flanc du filetage a diminué avec les surfaces de flanc tourbillonnées, passant de 36,3 % pour la vis roulée à 13,6 % dans la série de tests 3, et à 10,1 % dans la série de tests 4. Aucune adhésion ne se produit entre les pics de rugosité prononcés présentant une texture de surface bien définie. En raison des propriétés du revêtement adhésif, il peut être supposé qu’un passage du régime de frottement limite au régime de frottement mixte se produit. Selon Wang et al., une réduction du nombre de pics de rugosité, ou dans ce cas, uniquement des pics des textures de surface, peut entraîner une diminution du coefficient de frottement [4]. Dans ces zones, la surface d’origine générée par le procédé de tourbillonnage est préservée.

L’agencement successif des microtextures peut également favoriser la formation d’un film lubrifiant de faible épaisseur, comme décrit dans [10]. Grâce à la réduction du frottement solide sur l’ensemble de la surface de contact, un couple de frottement plus faible est nécessaire pour le mouvement de la vis à filet. Le lubrifiant peut être stocké dans les zones présentant une texture de surface marquée, ce qui augmente l’épaisseur du film lubrifiant et favorise un régime de frottement fluide, empêchant ainsi le contact direct entre les surfaces. Le contact direct entre les pics de rugosité des éléments tribologiques est une cause potentielle d’usure adhésive [19].

En raison des textures de surface plus marquées (Figure 9b), la part du frottement solide diminue, contrairement à la topographie de surface non structurée (Figure 9a). Une texture de surface plus prononcée sur le flanc du filetage permet de retenir une plus grande quantité de lubrifiant.

Lors du contact entre des éléments tribologiques constitués de métaux différents, un transfert de matériau se produit depuis le corps de frottement ayant une cohésion plus faible, ici l’écrou, vers le corps de base à cohésion plus élevée, ici la vis à filet [3]. L’apport supplémentaire de lubrifiant dans le contact tribologique entraîne une réduction du nombre de pics de rugosité en contact. La formation de dépôts adhésifs sur le flanc du filetage sous charge est représentée schématiquement dans la Figure 9c. La charge progressive appliquée sur la surface de contact de l’écrou entraîne le détachement de particules, qui se déposent sur les pics de rugosité en contact du flanc de filetage sous charge. Ces particules forment progressivement une couche sur les surfaces de contact de la zone sollicitée (Figure 10), empêchant ainsi le contact direct entre les matériaux de la vis et de l’écrou. Ce processus se poursuit jusqu’à atteindre un état stationnaire, où plus aucun matériau des couches superficielles de l’écrou n’est transféré sur le flanc du filetage sous charge. Ce mécanisme influence la phase de rodage et évolue vers un état stationnaire, lorsque les pics de rugosité en contact sont recouverts de dépôts adhésifs, ce qui modifie le coefficient de frottement. La Figure 10 montre que les dépôts adhésifs atteignent environ 2 μm de hauteur et qu’il n’y a pas d’usure abrasive de la surface initiale du flanc de filetage sous charge.

5 Conclusion et perspectives

Dans le cadre de cette étude, trois topographies de surface différentes ont été générées par le procédé de tourbillonnage et analysées en termes de propriétés tribologiques des vis trapézoïdales. En plus de la mesure du coefficient de frottement, le motif d’usure sur les flancs de filetage sous charge a été examiné et les dépôts adhésifs ont été quantifiés.

Par rapport aux vis à filet roulées, il a été démontré que les structures de surface sur le flanc de filetage sous charge d’une vis utilisée dans les systèmes de levage pour charges lourdes apportent une valeur ajoutée significative. Le procédé de tourbillonnage permet de générer une plus grande variété de structures de surface, entraînant une réduction du coefficient de frottement de 25,5 %. Cette diminution du coefficient de frottement conduit à une réduction proportionnelle de la consommation d’énergie du système global, en tenant compte du montage spécifique du système de levage, puisque le rendement est largement influencé par le contact de frottement entre la vis et l’écrou. De plus, il a été démontré que la surface texturée initiale, générée par le procédé de tourbillonnage, reste largement intacte même après une durée de vie simulée de 10 ans. Cela suggère que la proportion de frottement solide, où les pics de rugosité de la vis et de l’écrou entrent en contact direct, a pu être réduite. Avec les textures de surface présentées, l’usure adhésive sur le flanc du filetage a été réduite à 10,1 % dans la série de tests 4, contre 36,3 % pour une vis roulée.

Bien que le test ait permis de simuler l’ensemble de la durée de vie de 10 ans d’une vis à filet, la durée de vie de l’écrou n’a pas été prise en compte. Alors qu’une seule partie de la vis est exposée au contact tribologique, le filetage interne de l’écrou subit une sollicitation continue, ce qui entraîne une exposition prolongée aux interactions tribologiques. Les recherches futures pourraient se concentrer davantage sur cet aspect du système de frottement, en particulier face à la difficulté de mesurer l’usure de l’écrou. Un autre effet bénéfique d’une vis à filet avec une structure de surface marquée pourrait être la réduction de l’usure du contre-corps de frottement, en l’occurrence l’écrou.

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Remerciements

Les auteurs remercient le Ministère fédéral de l’Économie et de la Protection du Climat (BMWK) pour son soutien ainsi que le partenaire du projet, Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG, pour leur collaboration constructive et étroite.

Financement

Les recherches ont été financées par le Ministère fédéral de l’Économie et de la Protection du Climat (BMWK) dans le cadre du Programme central de soutien à l’innovation.

Contribution des auteurs

B. Denkena a examiné et révisé le manuscrit en collaboration avec B. Bergmann. C. Wege a développé le concept de cette étude, réalisé les expériences, analysé les données et rédigé le manuscrit. M. von Soden et H. Gereke-Bornemann ont fabriqué les outils et préparé le banc d’essai.

Financement

Le financement en libre accès a été rendu possible et organisé par le projet DEAL.

Conflit d’intérêts

B. Denkena, B. Bergmann, C. Wege, M. von Soden et H. Gereke-Bornemann déclarent n’avoir aucun conflit d’intérêts.

Open Access

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Avis de l’éditeur

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• Springer Nature, 24.05.2024