Dans la conception et la maintenance des pièces mécaniques, l’« usure » influe sur la durée de vie des pièces et la qualité des produits. L’usure est un phénomène par lequel la surface d’un corps se use progressivement sous l’effet du contact et du mouvement relatif entre deux solides. Dans les mécanismes impliquant des frottements, tels que les pièces d’entraînement ou les roulements, il est nécessaire de mettre en place des mesures de prévention contre l’usure.
La progression de l’usure entraîne des variations dimensionnelles des pièces et une baisse de leurs performances, ce qui peut, à terme, nuire à la fiabilité de l’ensemble de l’équipement. Il existe plusieurs types d’usure, dont les mécanismes d’apparition et les mesures de prévention diffèrent les uns des autres.
Dans cet article, nous vous expliquons la définition fondamentale de l’usure, son mécanisme, les formes d’usure les plus courantes et leurs caractéristiques, ainsi que les mesures à prendre pour la limiter. Nous vous invitons à acquérir des connaissances précises sur l’usure afin de prolonger la durée de vie de vos pièces et de réduire vos coûts de maintenance.
| Sous la supervision du groupe commercial des composants électroniques de C.I. TAKIRON Corporation Nous supervisons la rédaction de cet article en nous appuyant sur les compétences techniques de pointe et l’expertise acquises depuis notre création en 1919 en tant qu’entreprise leader dans le domaine de la transformation des matières plastiques.Au sein de notre département, nous analysons en permanence les tendances du marché et les dernières technologies relatives aux micromoteurs ultra-compacts et de haute précision, et nous nous attachons à fournir des informations à forte valeur ajoutée aux concepteurs et développeurs. En tant qu’équipe d’experts maîtrisant parfaitement les caractéristiques des produits, nous vous accompagnons dans la résolution de vos défis et dans l’innovation technologique grâce à la diffusion de contenus précis et concrets. |
Définition de l’usure et mécanismes à l’origine de celle-ci
Pour bien comprendre l’usure, il est important, dans un premier temps, d’en saisir la définition et les mécanismes de contact entre les surfaces, puis de recenser les différents facteurs qui influencent son évolution. Nous allons vous présenter ci-après, étape par étape, les concepts fondamentaux de l’usure, les caractéristiques du contact entre les surfaces, ainsi que les trois facteurs qui interviennent dans ce phénomène.
Contenu abordé dans cette section
- Définition de l’usure et principes fondamentaux de la résistance à l’usure
- Relation entre la surface de contact réelle et l’apparition de l’usure
- Les trois facteurs qui influencent l’usure
Dans cette section, nous vous expliquons étape par étape les concepts fondamentaux de l’usure, en simplifiant le vocabulaire technique afin que même les ingénieurs débutants puissent les comprendre.
Définition de l’usure et principes fondamentaux de la résistance à l’usure
On considère que l’usure des métaux désigne l’état dans lequel la surface d’un métal est endommagée ou usée sous l’effet des forces de frottement générées par son contact avec d’autres solides.
Pour les composants soumis au frottement, tels que les pièces d’entraînement ou les roulements, la résistance à l’usure est considérée comme une caractéristique déterminante pour la durée de vie du produit. Cette résistance, appelée « résistance à l’usure », constitue l’un des indicateurs d’évaluation fondamentaux lors de la conception de composants mécaniques comportant des parties en glissement.Si l’on utilise des matériaux peu résistants à l’usure pour les parties en glissement, la précision dimensionnelle des pièces risque de se perdre en peu de temps, ce qui peut entraîner une baisse des performances de l’ensemble de l’équipement.
Par exemple, aux endroits où les balais et le commutateur entrent en contact à l’intérieur d’un moteur, ou là où les dents des engrenages s’engrènent, le matériau s’use progressivement sous l’effet des frottements répétés. Il convient de noter que, à mesure que l’usure progresse, le jeu entre les pièces s’accroît, ce qui peut être à l’origine de vibrations, de bruits anormaux ou de dysfonctionnements.Le fait d’anticiper, dès la phase de conception, l’usure en fonction des conditions d’utilisation et d’en tenir compte dans le choix des matériaux et la conception de la structure contribue à garantir la fiabilité du produit.
Relation entre la surface de contact réelle et l’apparition de l’usure
La surface d’un solide présente de fines irrégularités et ondulations ; même entre deux surfaces planes, ce sont en réalité des saillies qui entrent en contact. Les points de contact entre ces saillies sont appelés « points de contact réels » ; leur surface étant inférieure à la surface de contact apparente et la charge s’y concentrant, il s’agit de zones jouant un rôle déterminant dans l’apparition de l’usure.
Nous résumons ci-dessous la différence entre la surface de contact réelle et la surface de contact apparente.
| Rubrique | Surface de contact apparente | Surface de contact réelle |
| Définition | Surface de contact entre les pièces | Surface de contact entre les pièces |
| Superficie | Zone visible à l’œil nu | Environ 1/10 à 1/1 000 de la surface de contact apparente |
| Répartition de la charge | En supposant qu’elle soit répartie sur l’ensemble de la surface | La charge se concentre sur une minuscule protubérance |
On considère que la surface de contact réelle est environ 1/10 à 1/1 000 de la surface de contact apparente.Même si, à première vue, le contact semble s’étendre sur une large surface, en réalité, la charge n’est supportée que par des protubérances extrêmement étroites. Le mécanisme fondamental de l’usure réside dans le fait que les contraintes concentrées sur ces protubérances provoquent la déformation ou la rupture du matériau, qui se détache alors sous forme de particules d’usure.
Plus la rugosité de surface d’un matériau est élevée, plus les différences de hauteur entre les protubérances sont importantes ; par conséquent, la surface de contact réelle devient encore plus petite, ce qui tend à accroître les contraintes locales. Dans la conception des pièces mécaniques, la première étape pour limiter l’usure consiste à gérer de manière appropriée la finition de surface et la précision d’usinage des surfaces de glissement, ainsi qu’à mettre en œuvre des mesures visant à élargir la surface de contact réelle.
Les trois facteurs qui influencent l’usure
Trois facteurs influencent l’usure : les facteurs mécaniques, les facteurs liés aux matériaux et les facteurs environnementaux. L’évolution de l’usure dépendant de l’interaction complexe entre ces facteurs, leur prise en compte nécessite une analyse multidimensionnelle.
[Les trois facteurs influençant l’usure]
- Facteurs mécaniques : charge, pression de contact, rigidité
- Facteurs liés aux matériaux : propriétés mécaniques, forme de la surface, rugosité de surface
- Facteurs environnementaux : température, humidité, atmosphère
En ce qui concerne les facteurs mécaniques, plus la charge et la pression de contact sont élevées, plus les contraintes locales au niveau de la zone de contact effective augmentent, ce qui tend à accélérer l’usure. Lorsque la rigidité des pièces est insuffisante, la déformation au niveau de la surface de contact s’accentue, ce qui augmente également le risque d’usure dans des zones imprévues.
En ce qui concerne les facteurs liés aux matériaux, outre les propriétés mécaniques telles que la dureté et la ténacité, la rugosité de surface détermine la forme et la répartition des protubérances et constitue un facteur influant sur les conditions de contact à l’origine de l’usure.En règle générale, on considère que plus la dureté d’un matériau est élevée, plus sa résistance à l’usure est grande ; toutefois, les matériaux à faible ténacité (résistance à la rupture) risquent de se fissurer. Il est donc nécessaire de choisir un matériau en tenant compte de l’équilibre entre dureté et ténacité.
En ce qui concerne les facteurs environnementaux, on constate que, dans des conditions de température élevée, les matériaux peuvent se ramollir, tandis que l’humidité ou une atmosphère corrosive peuvent favoriser les réactions chimiques et accélérer l’usure. Lors de l’étude des mesures de prévention de l’usure, il est nécessaire d’adopter une approche consistant à évaluer ces trois facteurs de manière globale, en tenant compte de l’environnement d’utilisation dans son ensemble, plutôt que de les considérer isolément.
Types et caractéristiques représentatifs de l’usure
L’usure est classée en plusieurs types selon son mécanisme d’apparition ; parmi ceux-ci, on peut citer comme formes représentatives l’usure par adhérence, l’usure abrasive, l’usure par corrosion et l’usure par fatigue. Chaque forme présentant un mécanisme d’apparition et des schémas de détérioration différents, il est nécessaire de choisir des mesures adaptées à chaque type.Une approche consistant à examiner les mesures à prendre après avoir correctement cerné les caractéristiques de chacune d’entre elles constitue la base de la prévention des problèmes d’usure.
Contenu abordé dans cette section
- Mécanismes de l’usure par agglomération et leurs deux classifications
- Les deux formes d’usure abrasive
- Caractéristiques de l’usure par fatigue et dommages typiques
Dans ce qui suit, nous allons vous présenter en détail les mécanismes et les caractéristiques des trois types d’usure étroitement liés à la conception des pièces mécaniques et des moteurs : l’usure par adhérence, l’usure abrasive et l’usure par fatigue.
Mécanismes de l’usure par adhérence et leurs deux classifications
L’usure par adhérence est un phénomène dans lequel les micro-irrégularités des surfaces de glissement provoquent une liaison métallique (adhérence) sous l’effet de la chaleur et de la pression générées par le frottement ; une partie de ces irrégularités se détache sous l’effet du cisaillement dû au mouvement de frottement et adhère à la surface opposée, ce qui entraîne une usure progressive.Ce phénomène se caractérise notamment par le fait qu’il survient plus facilement entre des matériaux identiques. En ce qui concerne le mécanisme de l’adhérence, il est largement admis dans le domaine de la tribologie (science du frottement et de l’usure) que les matériaux se lient au niveau de la zone de contact réelle et que, lorsqu’une force de cisaillement est appliquée, une partie de la matière se détache et se transforme en poussière d’usure.
L’usure par agglomération se divise, selon son intensité, en deux grandes catégories.
| Classification | Caractéristiques |
| Usure sévère | L’usure est importante et entraîne l’apparition de rayures profondes à la surface ainsi que d’importantes particules d’usure. Dans les cas graves, cela peut contribuer à la formation de grippage. |
| Usure modérée | L’usure est relativement faible et la surface s’use de manière régulière. Les particules d’usure sont fines et contiennent des oxydes. |
Dans le cas d’une usure sévère, les particules d’usure sont grossières et présentent un éclat métallique ; de profondes rainures et d’importantes irrégularités apparaissent également sur la surface d’usure. En revanche, dans le cas d’une usure modérée, les particules d’usure se présentent sous forme d’oxydes fins et la surface d’usure reste relativement lisse.Il convient de noter que lorsque l’usure par adhérence évolue jusqu’au stade de l’usure sévère, elle peut se manifester sous forme de grippage, ce qui risque d’entraîner l’arrêt du fonctionnement des pièces. Lors du choix des matériaux des pièces en frottement, il est utile d’étudier les moyens de limiter l’apparition de l’adhérence, notamment par la combinaison de métaux de nature différente ou par des traitements de surface.
Les deux formes d’usure abrasive
L’usure abrasive se divise en deux catégories : l’« usure à deux corps », dans laquelle les protubérances de la surface d’un matériau dur raclent la surface de glissement plus tendre, et l’« usure à trois corps », dans laquelle des particules solides dures s’intercalent entre les matériaux et en raclent la surface.Également appelée « usure par rayage » ou « usure par abrasion », elle se caractérise par un taux d’usure généralement plus élevé que celui de l’usure par adhérence.
[Les deux catégories d’usure abrasive]
- Usure par frottement : phénomène par lequel les aspérités de la surface d’un matériau dur raclent directement la surface de glissement du matériau le plus tendre
- Usure par trois corps : forme d’usure dans laquelle des particules solides dures (poussière d’usure ou corps étrangers) s’infiltrent entre les matériaux et en enlèvent la surface
L’usure par frottement entre deux corps est une usure qui se produit lorsque le composant le plus dur s’enfonce dans le composant le plus tendre ; par conséquent, le choix des matériaux tenant compte de l’équilibre de dureté des surfaces de glissement constitue la base de toute mesure préventive. Par exemple, lorsque deux métaux présentant des duretés très différentes glissent l’un contre l’autre, la surface du métal le plus tendre subit une usure unilatérale.
L’usure à trois corps étant due à la présence de particules d’usure dures ou à l’intrusion de corps étrangers provenant de l’extérieur, il est efficace de mettre en place des mesures telles qu’une structure d’étanchéité empêchant la pénétration de particules sur les surfaces de glissement, ainsi qu’un système permettant l’élimination régulière des corps étrangers.Les équipements fonctionnant dans des ateliers d’usinage ou dans des environnements très poussiéreux présentent un risque accru d’usure à trois corps ; il est donc nécessaire de mettre en place une gestion de l’usure associée à des mesures de protection contre la poussière.
Caractéristiques de l’usure par fatigue et dommages typiques
L’usure par fatigue est un phénomène au cours duquel des microfissures apparaissent à la surface d’un matériau sous l’effet de contraintes de contact répétées, ce qui finit par entraîner un décollement de la surface et une progression de l’usure.Il s’agit d’une usure résultant de la fatigue du métal due à des cycles répétés de fonctionnement et d’arrêt ; elle est fréquemment observée sur les surfaces de contact par roulement. On considère qu’elle a tendance à se produire sur les pièces soumises à des charges répétitives, telles que les roulements ou les faces dentées des engrenages.
Parmi les formes de dommages typiques dues à l’usure par fatigue, on distingue deux types : l’écaillage, qui se caractérise par un décollement en écailles, et le pelage, qui se traduit par un décollement sur une grande surface plane. L’écaillage est un dommage typique qui se produit sur la surface de roulement d’un roulement ; il se manifeste sous la forme d’un décollement en écailles lorsque les contraintes accumulées sous la surface dépassent un seuil critique à chaque passage des éléments roulants.Le « peeling » est un phénomène caractérisé par le décollement de la couche superficielle sur une surface plus étendue que dans le cas du « flaking » ; il se caractérise par le fait qu’il survient facilement dans des conditions de charge élevée.
Contrairement à l’usure par agglomération ou à l’usure abrasive, l’usure par fatigue présente la particularité de ne pas entraîner de changements visibles à court terme, mais de progresser rapidement une fois qu’un certain nombre de cycles de répétition est dépassé. Même si aucune anomalie n’est visible à l’œil nu, des fissures peuvent se développer à l’intérieur du matériau ; par conséquent, un contrôle visuel seul risque de ne pas permettre de détecter les signes d’usure par fatigue.Pour les composants soumis à des charges répétitives sur une longue période, tels que les roulements de moteurs ou les dentures des motoréducteurs, il est indispensable d’estimer la durée de vie en fatigue dès la phase de conception et d’en tenir compte dans le plan d’inspection périodique.
Mesures de prévention de l’usure et prolongation de la durée de vie des moteurs
Pour limiter la détérioration des pièces due à l’usure, il est indispensable de choisir des mesures appropriées en fonction du type d’usure. Dans le cas des moteurs, le mécanisme d’usure et la conception de la durée de vie varient selon que le moteur est équipé ou non de balais. Nous allons ici vous expliquer, étape par étape, depuis les principes généraux de la prévention de l’usure jusqu’aux problèmes liés à l’usure des moteurs et à leurs solutions.
Contenu abordé dans cette section
- Mesures à prendre en fonction du type d’usure
- Incidence de l’usure des balais sur les moteurs à balais
- Résolution des problèmes d’usure liés aux moteurs sans balais
Dans cette section, nous présenterons dans un premier temps les mesures générales de prévention de l’usure, classées par type, puis nous aborderons dans un second temps les problèmes d’usure liés aux moteurs ainsi que les solutions apportées par les moteurs sans balais.
Mesures à prendre en fonction du type d’usure
Les mesures de prévention de l’usure varient selon le type d’usure. Pour l’usure par adhérence, l’utilisation de métaux de nature différente, le recours à des lubrifiants et les traitements de surface s’avèrent efficaces.Contre l’usure par abrasion, il est efficace d’augmenter la dureté du matériau et d’empêcher l’introduction de particules solides sur les surfaces de glissement. Quant à l’usure par corrosion, les mesures préventives comprennent le choix de matériaux hautement résistants à la corrosion ainsi que des traitements de surface tels que le placage ou le revêtement.
Nous résumons ci-dessous les principales formes d’usure et les mesures correspondantes.
| Types d’usure | Mesures à prendre |
| Usure par adhérence | Combinaison de métaux de nature différente, utilisation de lubrifiants, application de traitements de surface |
| Usure abrasive | Augmenter la dureté des matériaux, empêcher la présence de particules solides sur les surfaces de glissement |
| Corrosion et usure | Sélection de matériaux hautement résistants à la corrosion, traitements de surface tels que le placage et le revêtement |
| Usure par fatigue | Conception des matériaux et des structures tenant compte de la réduction des contraintes répétitives et de la durée de vie en fatigue |
Même pour les matériaux présentant une faible résistance à l’usure, il est considéré que l’on peut limiter les effets de l’usure grâce à des techniques d’usinage permettant d’ajuster la finition de la surface et de lui conférer une forme réduisant le frottement.Par exemple, des techniques telles que la réduction de la rugosité de surface par polissage ou l’amélioration simultanée de la dureté et du glissement des surfaces de glissement grâce à un revêtement DLC (carbone adamantin) sont largement utilisées pour une grande variété de pièces de glissement. Veuillez étudier les mesures combinant le choix des matériaux et le traitement de surface en fonction de l’environnement d’utilisation et des conditions de glissement.
*Certaines mesures ne sont pas prises en charge par nos produits.
Incidence de l’usure des balais sur les moteurs à balais
Dans un moteur à balais, les balais et le commutateur tournent en restant constamment en contact, ce qui entraîne une usure progressive des deux éléments due au frottement. Lorsque les balais s’usent, ils ne peuvent plus maintenir le contact avec le commutateur ; le courant ne circule alors plus correctement et le moteur cesse de fonctionner normalement.
Les facteurs à l’origine de l’usure des balais ne se limitent pas à la friction résultant d’un contact physique.
[Principaux facteurs favorisant l’usure des balais]
- Frottement dû à un contact physique
- Génération de chaleur liée à la variation de la densité de courant
- Fusion de la surface par étincelle
Le frottement physique est un facteur inévitable, dans la mesure où le balai et le commutateur sont en contact permanent. De plus, lorsque le chemin parcouru par le courant change en fonction de la rotation du moteur, la densité de courant varie, ce qui entraîne un échauffement localisé au niveau des points de contact.Il convient également de noter que, dans certains cas, les étincelles produites lors de la commutation peuvent faire fondre la surface des balais, ce qui accélère leur usure.
La détérioration des balais étant due à l’action combinée de trois facteurs — frottement, échauffement et étincelles —, la durée de vie d’un moteur à balais dépend fortement de l’état d’usure de ces derniers. Dans le cas d’une utilisation impliquant un fonctionnement continu de longue durée ou dans des conditions de charge élevée, il est nécessaire de procéder au préalable à une évaluation approfondie sur l’équipement réel concerné.
Résolution des problèmes d’usure liés aux moteurs sans balais
Les moteurs sans balais ne comportant ni balais ni commutateur et dont la rotation est contrôlée par un circuit électronique, ils ne présentent aucune usure des balais.Les moteurs sans balais étant dépourvus de balais, leur durée de vie, leur facilité d’entretien et leur faible production de poussière sont considérées comme supérieures à celles des moteurs à balais. La durée de vie du moteur dépend alors de celle des roulements plutôt que de l’usure des balais, ce qui permet un fonctionnement à long terme.
Nous résumons ci-dessous les différences en matière d’usure entre les moteurs à balais et les moteurs sans balais.
| Critères de comparaison | Moteur à balais | Moteur sans balais |
| Glissement des balais et du collecteur | Présent (contact permanent) | Non (commandé par un circuit électronique) |
| Usure des balais | Se produit (principal facteur de durée de vie) | Ne se produit pas |
| Facteurs influant sur la durée de vie | État d’usure des balais | Durée de vie des roulements |
| Formation de poussière d’usure | Présente | Pratiquement aucune |
| Contact mécanique | fréquent | Peu |
Autrefois, comme on utilisait des collecteurs mécaniques pour inverser le sens du courant, ceux-ci présentaient l’inconvénient de s’user, ce qui rendait difficile l’allongement de leur durée de vie. Grâce à la généralisation des semi-conducteurs, les circuits électroniques ont pu remplacer les collecteurs mécaniques, ce qui a permis d’obtenir, avec les moteurs sans balais, une durée de vie bien supérieure à celle des collecteurs mécaniques.
De plus, cette conception présentant peu de contacts mécaniques permet de limiter la production de poussières d’usure ainsi que les bruits de frottement et les vibrations. Les moteurs sans balais constituent donc un choix de premier ordre pour un fonctionnement continu de longue durée ou pour une utilisation dans des environnements propres où la présence de poussières d’usure est à proscrire.
Résumé
L’usure est un phénomène de dégradation de la surface résultant du contact et du frottement entre deux solides ; elle se divise globalement en plusieurs catégories : l’usure par adhérence, l’usure abrasive, l’usure par corrosion et l’usure par fatigue. Les mécanismes à l’origine de chacune de ces formes d’usure étant différents, il est nécessaire de choisir des mesures adaptées à chaque type d’usure, telles que l’augmentation de la dureté des matériaux, l’utilisation de lubrifiants ou encore les traitements de surface.Anticiper l’apparition de l’usure dès la phase de conception et adopter des matériaux et des structures adaptés à l’environnement d’utilisation permet de prolonger la durée de vie des pièces et de réduire les coûts de maintenance.
Dans le cas des moteurs, l’usure due au frottement entre les balais et le commutateur constitue un facteur limitant leur durée de vie ; or, les moteurs sans balais éliminent structurellement cette usure, ce qui permet d’allonger leur durée de vie.Grâce à leur conception présentant peu de contacts mécaniques, ces moteurs limitent la formation de poussière d’usure et les vibrations ; ils sont ainsi particulièrement adaptés à un fonctionnement continu de longue durée et à une utilisation dans des environnements propres.
Chez C.I. Takiron, nous proposons des moteurs sans balais qui se caractérisent par une longue durée de vie et un faible niveau de vibrations. Si vous rencontrez des difficultés concernant la prévention de l’usure ou le choix d’un moteur, n’hésitez pas à nous contacter.
Informations sur les produits et demandes de renseignements
Pour plus d’informations sur les micromoteurs de C.I. Takiron, veuillez consulter le site Web suivant.
- Site du produit : https://cik-ele.com/
- Moteurs sans noyau : https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Moteurs sans balais: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Moteurs à engrenages : https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Codeur : https://cik-ele.com/products/list/encoder/
Si vous rencontrez des difficultés pour choisir un petit moteur dans le cadre du développement de vos produits, n’hésitez pas à nous contacter via le formulaire de contact. Nos techniciens vous écouteront pour comprendre votre application et vos exigences, et vous proposeront la solution la mieux adaptée.
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