Quelles sont les causes du frottement ? Comment les réduire ?

À moins que vous ne jouiez du violon, le frottement statique, ou stick-slip, est un phénomène indésirable causé par la différence entre les frottements statique et dynamique entre les deux surfaces. Un frottement statique dans les guides linéaires peut entraîner des vibrations (mouvements saccadés), des mouvements grippés, des variations du couple requis ou une perte de précision sous forme de dépassement.

Quelles sont les causes du frottement ?

Le coefficient de frottement statique (μs) entre deux surfaces est presque toujours supérieur au coefficient de frottement dynamique (cinétique) (μk), et cette variation de frottement est la cause sous-jacente du stick-slip.

Toutes les surfaces présentent une certaine rugosité. Même les surfaces très bien finies et polies ne sont pas parfaitement lisses : elles présentent des pics (appelés « aspérités ») et des creux qui réduisent la surface de contact effective des surfaces. Autrement dit, à certains endroits, seuls les pics des deux surfaces sont en contact, tandis qu'à d'autres, les pics d'une surface se logent dans les creux de l'autre. Et à d'autres endroits, il n'y a aucun contact entre les surfaces.

Étant donné que les zones de contact individuelles sont très petites, la pression entre les surfaces est extrêmement élevée (pression = force ÷ surface) et l'adhérence se produit à ces points par un processus appelé soudage à froid.

Avant que les surfaces puissent bouger, les liaisons à l'origine de cette adhérence doivent être rompues. De même, lorsque les surfaces s'imbriquent (les pics d'une surface se logent dans les creux de l'autre surface), une abrasion, ou déformation plastique, doit se produire pour rompre ces zones imbriquées et permettre aux surfaces de bouger.

Une fois que la force motrice est suffisamment élevée pour rompre ces liaisons entre les surfaces et surmonter le frottement statique, le mouvement commence. Cependant, même pendant le mouvement, une certaine abrasion se produit car les surfaces ne sont pas encore parfaitement lisses. La résistance au mouvement due à la rugosité superficielle résiduelle est appelée frottement dynamique, ou cinétique.

Comment réduire le frottement

Pour les roulements linéaires lubrifiés (la quasi-totalité des roulements à recirculation et certains paliers lisses), le mouvement entre les surfaces du roulement entraîne la lubrification dans les espaces microscopiques. À mesure que la vitesse relative des surfaces augmente, le film lubrifiant s'épaissit et le contact surface-surface diminue, diminuant ainsi le frottement entre les surfaces.

Cependant, les roulements linéaires parcourent une distance finie puis reviennent en sens inverse (contrairement aux roulements radiaux, qui peuvent tourner indéfiniment dans le même sens). Ils passent donc une bonne partie de leur temps dans ce que l'on appelle une lubrification mixte, où le frottement est déterminé à la fois par les propriétés des surfaces et par celles du lubrifiant. Par conséquent, une lubrification adéquate est le meilleur moyen de contrôler ou de réduire les effets du frottement statique dans les roulements à recirculation (et dans certains paliers lisses).

Le phénomène de stick-slip, ou frottement statique, est souvent plus problématique dans les paliers lisses que dans les paliers à recirculation. En effet, les paliers lisses présentent une différence plus importante entre les coefficients de frottement statique et dynamique. De plus, le coefficient de frottement d'un palier lisse peut varier en fonction de la charge appliquée, de l'usure et des facteurs environnementaux.

Pour les paliers lisses montés sur des arbres ronds, une solution pour contrer les effets du stick-slip consiste à choisir des arbres présentant la finition de surface la plus élevée (rugosité la plus faible) possible. Le respect du rapport 2:1 (également appelé règle 2:1 ou rapport de liaison) – qui stipule que la distance entre les bras de levier ne doit pas dépasser le double de la longueur du palier – est souvent nécessaire pour prévenir le stick-slip dans les applications à paliers lisses.

Une autre solution pour minimiser, voire prévenir, le phénomène de « stick-slip » consiste à utiliser des guidages à paliers à air. Dans ce type de paliers, le frottement est uniquement fonction du cisaillement de l'air dû au mouvement. Par conséquent, la différence entre frottements statique et cinétique dans un assemblage à paliers à air est pratiquement nulle, ce qui élimine pratiquement tout problème de « stick-slip ».