maxon Story
Innover dans le développement de la lubrification
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Le frottement est un phénomène coûteux pour les moteurs de véhicules. Il provoque une usure qui réduit la durée de vie du moteur et entraîne une dégradation des matériaux qui contribue aux émissions. Alors que les gouvernements imposent des limites d’émissions et que les constructeurs automobiles s’occupent des matériaux et de la conception, le développement de lubrifiants pour moteurs reste crucial pour lutter contre le problème de la friction.
Des ensembles d’additifs, comprenant de nombreux composés chimiques, sont formulés et ajoutés à l’huile moteur. Les performances de modification du frottement de ces composés varient en fonction des conditions environnementales auxquelles ils sont confrontés, et leur efficacité peut également changer en fonction de la combinaison de composés utilisés. En raison de cette complexité, les scientifiques n’ont pas encore été en mesure d’évaluer, du moins en termes pratiques, comment et pourquoi ces additifs fonctionnent dans des conditions réelles.
« Il y a eu beaucoup d’études théoriques, mais on n’a pas encore trouvé de lien direct entre ce qui fait un bon modificateur de friction », explique Beatrice Boggio Robutti, doctorante à l’Université de Cambridge, qui dirige l’étude. « Nous ne savons pas actuellement pourquoi certains additifs sont plus efficaces, donc la recherche vise à prendre des composés dont nous savons déjà qu’ils ont de bonnes performances de friction, puis à étudier leur comportement pour essayer de sous-tendre les aspects qui pourraient être clés pour expliquer pourquoi ils sont efficaces. »
En reproduisant un test dans des conditions proches de la réalité, l’équipe espère comprendre pourquoi et comment ces modificateurs de friction sont efficaces pour améliorer leur développement.
Test d’un modificateur de friction organique
Généralement, les composés de molécules de tensioactifs diminuent la tension superficielle pour créer des modificateurs de friction. Pour mettre au point un test pratique, l’équipe de Cambridge a sélectionné un tensioactif qui a déjà démontré des propriétés anti-friction et anti-usure lors d’une étude théorique. Il est important de noter que les tensioactifs peuvent être dérivés de graisses et d’huiles naturelles. Cela crée un modificateur de friction organique, une option économiquement viable qui est également une option plus verte.
Les tensioactifs s’auto-assemblent en micelles, qui sont des groupes de molécules de tensioactif individuelles. Les chercheurs ont voulu tester des recherches antérieures suggérant que ces micelles pourraient adsorber – c’est-à-dire adhérer à – les interfaces métalliques, la réflectométrie neutronique, une technique précieuse pour la réduction de la friction. Beatrice et son équipe ont d’abord évalué l’impact de la forme des micelles sur les performances d’adsorption et de friction. Mais, pour comprendre les conditions du monde réel, il est désormais essentiel de comprendre comment ce processus change entre les conditions statiques et les conditions de fonctionnement.
Pour y parvenir, l’équipe de Cambridge utilise la réflectométrie de neutrons, une technique qui consiste à tirer des neutrons à une interface enterrée entre la solution contenant la micelle et une surface métallique. En étudiant la réflexion des neutrons à cette interface inestimable, la recherche peut améliorer la compréhension de l’équipe du comportement du modificateur de friction organique.
L’instrumentation doit fournir des mesures de la largeur des cheveux
Analyse des taux de cisaillement
Pour analyser l’effet de cisaillement sur le modificateur de friction organique, l’équipe devait reproduire les conditions d’un moteur en mouvement. Infineum UK, les sponsors industriels des chercheurs, a commandé un tribomètre sur mesure, une machine généralement utilisée pour mesurer la friction, qui intégrerait également un environnement de réflectométrie neutronique.
L’appareil d’essai spécialement conçu implique un substrat fabriqué à partir d’un bloc de silicium recouvert d’hématite, qui remplace la surface du carter d’un moteur – le domaine d’étude spécifique du moteur du chercheur. L’appareil intègre également un rouleau qui peut être déplacé vers le substrat à des niveaux de proximité extrêmement proches, jusqu’au micron (un millionième de mètre, soit 0,001 millimètre).
Lorsque la solution de modificateur de friction organique est ajoutée au bain d’huile du tribomètre, les chercheurs commencent à faire tourner le rouleau, contrôlant sa vitesse et sa direction de mouvement pour reproduire l’effet de cisaillement. En observant comment l’absorption de la couche modificatrice de friction organique change en fonction des différentes proximités et vitesses du rouleau, l’équipe de recherche peut déterminer l’impact de différents niveaux de cisaillement.
Optimiser la précision des commandes
Le taux de cisaillement maximal sur le moteur atteint environ 10^6 (un million) Hz, de sorte que reproduire les conditions aussi près que possible de ce niveau exige une précision optimale. Bien que la conception originale du tribomètre puisse atteindre des écarts de l’ordre du micron, l’équipe de Cambridge avait besoin de plus de contrôle pour simuler des conditions de fonctionnement virtuelles.
La configuration originale du tribomètre impliquait un entraînement par courroie reliant le rouleau au moteur. Cependant, l’équipe de recherche a identifié cela comme une source d’instabilité partielle. Cela diminuait le contrôle car l’oscillation du rouleau le faisait heurter le substrat à des intervalles inférieurs à 200 microns. Le risque d’endommager la surface nécessiterait des réparations coûteuses et, plus important encore, pour l’équipe de recherche, cela signifierait des temps d’arrêt. Par conséquent, l’équipe n’a pas pu pousser les taux de cisaillement aussi loin qu’elle le souhaitait dans les conditions réelles.
« Le temps passé en laboratoire est extrêmement précieux », explique Beatrice. « La réflectométrie neutronique ne peut avoir lieu que dans des installations centrales désignées, ce qui implique pour nous de se rendre soit à la source de muons et de neutrons d’ISIS dans l’Oxfordshire, soit à l’Institut Laue-Langevin à Grenoble, en France. Il faut postuler, avec la demande de nombreuses autres équipes de recherche à travers le monde. Nous avons tendance à avoir un maximum de 72 heures à la fois pour terminer notre étude, ce qui signifie que le tribomètre doit être fonctionnel 24 heures sur 24, en rafales de trois jours. Tout temps d’arrêt du tribomètre pendant le temps de faisceau serait un gros problème.
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Motion redesign
Pour augmenter la précision du contrôle et permettre des taux de cisaillement plus élevés, les chercheurs de Cambridge se sont engagés avec l’équipe d’ingénieurs de maxon pour obtenir des commentaires sur la refonte du système de mouvement du tribomètre. Ronak Samani, ingénieur technique chez maxon, a choisi un moteur à courant continu plat sans balais maxon EC45 avec un dispositif de retour de capteur à effet Hall intégré pour optimiser la détection de position. Cette nouvelle configuration entraînerait directement le rouleau du tribomètre avec sa vitesse gérée par un variateur maxon ESCON.
Alors que la recherche se poursuit, le projet culminant en septembre 2024, l’amélioration du mouvement signifie que Beatrice et l’équipe peuvent désormais atteindre des taux de cisaillement beaucoup plus élevés - environ un ordre de grandeur supérieur à ce qui était réalisable auparavant.
« Aujourd’hui, nous pouvons réduire l’écart entre le rouleau et le substrat à 80 microns », explique Beatrice.
Pour mettre les choses en perspective, c’est comme réduire l’écart du diamètre d’un grain de sable à un peu plus de la largeur d’un cheveu humain.
Grâce à la fiabilité de contrôle du système maxon, il peut également maintenir la vitesse de consigne du rouleau pendant des périodes de test qui durent généralement trois heures.
« Ronak nous a vraiment aidés à définir le système de mouvement adapté à nos besoins », explique Beatrice. « Même si certains paramètres d’application nous étaient initialement inconnus, Ronak a calculé la taille et les spécifications, fournissant au moteur les performances dont nous avions besoin. Par la suite, l’intégration du moteur maxon a été simple, et l’utilisation via l’interface ESCON a été simple à réaliser.
Faire progresser les connaissances sur la lubrification efficace
Bien que les recherches de l’équipe soient en cours, les résultats précis obtenus jusqu’à présent en réflectométrie neutronique font déjà progresser les connaissances sur les performances des tensioactifs en tant que modificateur de friction.
« L’augmentation du taux de cisaillement d’un tel bond nous a permis d’aller plus loin dans notre évaluation des films modificateurs de friction organiques, ce qui est vraiment excitant pour nous », déclare Beatrice. « En fin de compte, cela signifie une meilleure compréhension de l’efficacité du tensioactif pour minimiser la friction et l’usure. Il s’agit d’un apprentissage crucial, non seulement pour les véhicules équipés de moteurs à combustion, mais aussi pour maintenir les points d’interaction mécanique sur les véhicules électriques ou la transmission dans les applications de production d’énergie renouvelable.
L’étude doctorale a été soutenue par le professeur Alex F. Routh, directeur de thèse universitaire, Département de génie chimique et de biotechnologie, Université de Cambridge, et les directeurs de thèse industrielle, le professeur Pete J. Dowding et Oliver Delamore, tous deux d’Infineum UK Ltd.
Images © Science and Technology Facilities Council, Université de Cambridge.
