Lubrification - Graissage
La fonction d'un lubrifiant est de favoriser le mouvement ou le glissement entre deux surfaces frottantes.
D'une manière générale, les lubrifiants réduisent les frottements et l'usure, évitent le grippage, participent au refroidissement, évacuent les impuretés (poussières, débris d'usure...), protègent contre la corrosion, peuvent avoir une fonction nettoyante (détergente) et parfois participer à l'étanchéité. Chacune de ces fonctions peut être plus ou moins développée selon l'application.
De tous les lubrifiants, enrichis ou non, les huiles et les graisses minérales à base de pétrole sont les plus utilisées.
Les produits de synthèse (fabriqués chimiquement) occupent une place grandissante.
Remarques : À elles seules, les huiles représentent plus de 95 % du total des lubrifiants employés.
I - Quatre cas du frottements
Le frottement entre deux surfaces frottantes peut être décrit par quatre comportements typiques.
1. Principaux cas de frottement entre deux surfaces.
Le frottement sec : il n'y a pas de lubrifiant entre les surfaces en contact. Le glissement y est le plus difficile et l'usure la plus rapide ; il est caractérisé par des contacts locaux fréquents sur les aspérités des surfaces, des échauffements, des arrachements et des microsoudures.
Le frottement onctueux : un film de lubrifiant recouvre les surfaces en contact sous la forme d'un épilamen (très fine couche). Le frottement est diminué (f ≈ 0,05 à 0,20) et le glissement favorisé. Les contacts locaux directs, sans épilamen, sont plus rares ; il y a moins d'arrachements, de microsoudures et d'usure.
Le frottement mixte : c'est un mélange de frottement onctueux et de frottement hydrodynamique, caractérisé par une portance hydrodynamique intermittente avec quelques contacts locaux, épilamen sur épilamen. Le frottement (f ≈ 0,04 à 0,1) et l'usure sont encore réduits.
Le frottement hydrodynamique : il n'y a plus aucun contact entre les surfaces. Celles-ci sont toujours séparées par une couche de lubrifiant d'épaisseur minimale e de 0,02 à 0,008 mm. Le mouvement, à condition que la vitesse soit suffisante, crée une portance hydrodynamique comparable au ski nautique. Le frottement est très réduit (f≈0,002à0,01)et l'usure pratiquement nulle.
Exemple : palier hydrodynamique (voir paliers lisses, coussinets).
II - Huiles
Elles permettent d'obtenir un frottement onctueux, mixte ou hydrodynamique. Elles se présentent sous la forme d'une base (huile minérale ou de synthèse) avec des additifs (anti-usure, extrême pression, anticorrosion...) pour améliorer les caractéristiques ou adapter l'huile à l'application choisie.
La viscosité et le point d'écoulement sont les propriétés principales.
1. Viscosités
Plus une huile est épaisse, plus sa viscosité est élevée. La fluidité est la propriété inverse de la viscosité. La viscosité de la majorité des fluides diminue lorsque la température augmente.
2. Les viscosités.
a) Viscosité cinématique (v) : on la détermine en mesurant, à une température donnée, la durée de l'écoulement d'un volume connu de liquide à travers un appareil comportant un orifice ou tube calibré (tube capillaire) de dimensions normalisées.
Unités : m2/s ; Stoke (St) ou centistoke (cSt) ; 10 000 St = 1 m2/s et lcSt = 1 mm2/s
b) Viscosité dynamique (µ) : elle est égale au produit de la viscosité cinématique (v) par la masse volumique du fluide (p) : µ = p.v.
Unités : Pa.s (pascal.seconde) ou N.s/m2 ; poise (P) et centipoise (cP)
1 poise = 1 P = 0,1 Pa.s ; 1 000 centipoises = 1 000 cP = 1 Pa.s
2. Propriétés caractéristiques des huiles
Point d'écoulement : c'est la température à partir de laquelle une huile, chauffée, puis refroidie dans des conditions bien précises cesse de couler (début de cristallisation ou de solidification).
Index de viscosité (VI ou IV) : caractérise la variation de la viscosité en fonction de la température. Un IV de 100 indique une très faible variation de la viscosité, un IV de 0 une très grande variation.
Onctuosité : elle caractérise l'aptitude d'une huile à adhérer aux surfaces (pouvoir adhérent) sous forme d'une fine couche (épilamen).
Volatilité, point éclair : température à partir de laquelle les vapeurs émises par une huile, chauffée dans des conditions bien précises, s'enflamment au contact d'une flamme puis s'éteignent aussitôt.
Autres propriétés : résistance à l'oxydation, à la corrosion, indice d'acide, teneur en cendres, en eau...
3. Principales classifications
a) Classification ISO : elle classe les huiles à partir de leur viscosité.
Désignation : lettres ISO VG suivi du nombre précisant la viscosité cinématique à 40 °C en centistoke.
Exemple : une huile classée ISO-VG 15 a pour limites de viscosité 13,5 et 16,5 cSt, 15 représentant la viscosité moyenne la plus probable.
3. Comparaison des classifications ISO et SAE.
b) Classification SAE : essentiellement utilisée pour l'automobile et les véhicules industriels (moteurs et transmissions), elle classe aussi les huiles selon leur viscosité, mais définit des tranches ou des intervalles continus de viscosité avec minimum et maximum.
La classification SAE 20, SAE 30... utilise la viscosité des huiles à 100 °C (huiles dites pour « hautes » températures).
La classification SAE 0W, SAE 5W... (avec W = winter) utilise la viscosité des huiles à -18 °C (huiles dites pour « basses » températures ou « hiver »).
Les huiles multigrades présentent deux viscosités caractéristiques. L'huile SAE 10W-40 a même viscosité qu'une huile SAE 40 à 100°C, même viscosité qu'une huile SAE 10W à -18 °C et couvre trois classes de viscosités.
c) Autres classifications : elles sont nombreuses et utilisent des désignations et des symboles.
Exemples : huiles pour systèmes hydrauliques (famille H) ; huiles pour engrenages industriels, (classe L -Famille C : CKB, CKC, CKD, CKE, CKS et CKT) pour paliers, pour matériels électriques ; huiles de coupe...
4. Principaux dispositifs de lubrification à l'huile
Voir quelques exemples dans montage de roulements.
a) Lubrification par barbotage ou par bain d'huile : c'est la plus simple et la plus usuelle. Une partie du mécanisme en mouvement (roue dentée...) trempe dans le bain et emporte par adhérence de l'huile vers les points à lubrifier.
La quantité d'huile du bain doit être suffisante et tenir compte des conditions de service : calories à évacuer, éviter les vidanges trop rapprochées, etc.
Le niveau du bain doit être contrôlé périodiquement : vis de contrôle, jauge, indicateur. Un excès d'huile est souvent plus néfaste qu'un manque ; il crée un brassage source d'échauffements et de pertes d'énergie.
b) Lubrification par barbotage et projections : elle est une variante de la précédente. Le mouvement des composants (engrenages...) doit être assez rapide (effet centrifuge) pour, qu'après trempage, le débit des projections soit suffisant. L'huile projetée sur les parois ruisselle et peut être recueillie (cuvettes, renvois, larmiers...) puis dirigée (canaux) vers les parties à lubrifier.
c) Lubrification par brouillard d'huile ou air-huile : elle est utilisée aux vitesses très élevées (roulements, engrenages) mais aussi dans les réseaux pneumatiques (lubrificateurs).
Principe : un débit constant d'air comprimé aspire et pulvérise une certaine quantité d'huile sous forme de très fines gouttelettes. Le brouillard ainsi constitué est amené par un réseau de canalisations près des points à lubrifier. En ces points, des rétrécissements (raccords de condensation ou tuyères) condense l'huile sous forme de gouttes plus grosses directement utilisables pour la lubrification.
Le débit d'air permet aussi le refroidissement et participe à l'étanchéité (repousse les parti cules étrangères).
4. Principe de la lubrification par brouillard d'huile.
d) Lubrification par circulation d'huile : ce mode est le plus élaboré et le plus coûteux. Une même pompe lubrifie en même temps plusieurs zones ou points. Le débit d'huile, constant, arrivant en chaque point à lubrifier, peut être réglé (soupapes) et calculé au plus juste pour assurer lubrification et refroidissement. Des échangeurs de chaleur (réfrigérants), des systèmes de filtration peuvent être ajoutés à l'installation.
Exemple : lubrification des paliers d'un moteur à explosion (voir « paliers lisses »).
5. Principe de la lubrification par circulation d'huile.
III - Graisses
Elles permettent un frottement onctueux ou un frottement mixte. Du fait de leur consistance, elles sont stables au repos et se comportent comme un solide. En service, sous l'action des charges, elles réagissent comme un liquide : la fluidité augmente et se rapproche de celle de l'huile de base.
Fabrication : elles sont obtenues par dispersion d'agents épaississants (savons métalliques déterminant les propriétés physiques : consistance, etc.) dans une « huile » avec ou sans additifs représentant 85 à 97 % de la masse totale. Le graphite, le bisulfure de molybdène, le plomb (« extrême pression »), les colorants et les charges (talc...) sont les additifs les plus courants.
1. Propriétés des graisses
Consistance : c'est la propriété principale. Elle exprime la résistance à la déformation de la graisse. Étroitement liée à l'adhérence et à l'onctuosité, elle diminue lorsque la température augmente (« comportement du beurre »).
Point de goutte : il caractérise la tenue de la graisse à la chaleur en précisant la température de début de liquéfaction.
Point de solidification : il indique la température de début de solidification de la graisse.
Autres propriétés : résistance au cisaillement, qualité extrême pression, filmo-résistance, acidité...
2. Classification
Le grade NLGI est la classification la plus usuelle. Il est lié à la valeur d'enfoncement d'un cône pesant posé (pendant 5 secondes) sur la surface aplanie de la graisse à tester, préalablement malaxée à 25 °C.
3. Principaux dispositifs de graissage
Voir quelques exemples dans montage de roulements.
a) Graissage par garnissage au montage : solution simple et usuelle, le graissage peut être à vie ou périodique, avec regarnissage après démontage et nettoyage lors des opérations de maintenance. La quantité de graisse prévue doit être suffisante, compte tenu de la durée de vie attendue et des conditions de fonctionnement (température...).
b) Utilisation des graisseurs : les graisseurs permettent le regraissage périodique sans démontage du dispositif. Pour éviter les excès de graisse, il y a lieu de prévoir des systèmes d'évacuation, en particulier pour la graisse usagée (chicanes, soupape à graisse, bouchon de vidange...).L'emploi des graisseurs automatiques diminue le nombre des interventions et garantit un graissage régulier.
6. Exemples de graisseurs usuels
(acier zingué brillant, têtes « hydraulic » cémentées, trempées).
c) Graissage centralisé : complètement automatisé, il est intéressant lorsque les points à lubrifier sont nombreux, jusqu'à plusieurs milliers, ou lorsque l'accès est difficile ou impossible. Il diminue les risques d'accident, les oublis, et évite l'arrêt des installations.
Le lubrifiant est envoyé sous pression, par intermittence, vers des distributeurs doseurs ou nourrices par une pompe avec réseau de canalisations. Les distributeurs doseurs, installés près des points à graisser, fournissent ensuite la dose prévue en chaque point.
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| 7. Exemple de graisseur automatique (SKF...) | 8. Installation simplifiée de graissage centralisé |
