Tribologie Partie 2 : Un regard approfondi sur la lubrification

Les principes fondamentaux de la tribologie, partie 2 : Un regard approfondi sur la lubrification

lubrifiant

Figure 1 : Lubrication

La lubrification joue un rôle énorme dans la tribologie classique. Non seulement il protège de la corrosion, mais il aide à contrôler les températures dans les applications et offre d'excellentes capacités d'étanchéité qui protègent les équipements contre les dommages. Plus important encore, les lubrifiants permettent de réaliser d'importantes économies. En réduisant l'usure et le frottement, ils empêchent ou minimisent les dommages de surface tels que la fatigue, l'abrasion, l'adhésion et les réactions tribochimiques. Les lubrifiants, lorsqu'ils sont choisis et appliqués correctement, prolongent la durée de vie des machines et permettent à l'utilisateur final de faire des économies.

Les lubrifiants offrent cette protection en formant un film entre deux surfaces qui réduit la friction. Il ne s'agit pas nécessairement d'un lubrifiant liquide. Les lubrifiants peuvent être un composé solide et sec, un fluide comme l'huile mais aussi l'eau, un semi-solide comme la graisse, ou même des plastiques et des silicones.

Dans cette série de trois articles, nous examinerons trois parties principales de la tribologie et l'application de la tribologie en mécanique :

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La fonction des lubrifiants en tribologie

Jusqu'au début du XXe siècle, la lubrification se faisait principalement avec des huiles minérales, des huiles végétales et des huiles animales. Depuis lors, l'industrie a fait des pas de géant vers une vaste sélection d'agents lubrifiants différents, tandis que la technologie impliquée dans ces lubrifiants a également évolué de manière significative.

La courbe de Stribeck

La courbe de Stribeck

Figure 2 : La courbe de Stribeck

La courbe de Stribeck montre comment le frottement (μ) change avec l'augmentation de la vitesse (m/s). Grâce à cela, nous pouvons identifier trois régimes de lubrification différents :

  • Lubrification limite (A) : Contact direct entre des surfaces solides, charges portées principalement par les aspérités de la surface, frottement élevé.
  • Lubrification mixte (B) : Un certain contact avec les aspérités, la charge étant supportée à la fois par les aspérités et le lubrifiant.
  • Lubrification à film plein (C) : Très peu de contact avec les aspérités, charge supportée par la pression hydrodynamique.

Lubrification aux limites

En termes simples, la lubrification limite est la lubrification de surfaces par des films fluides très fins, de sorte que les coefficients de friction sont affectés à la fois par le type de lubrifiant et par les caractéristiques de la surface. Dans des conditions de charge élevée et de faible vitesse, les roulements, les engrenages, les segments de piston, les pompes et les transmissions sont généralement soumis à une lubrification limite. Il en résulte un film mince dont l'épaisseur varie de un à quelques dizaines de nanomètres entre les corps de roulement et de glissement.

La tribologie considère la lubrification limite comme un facteur crucial, car le frottement est à son niveau le plus élevé pendant ce processus. Les lubrifiants ayant une viscosité appropriée peuvent aider à prévenir la lubrification limite. Si le lubrifiant a une viscosité trop faible, il ne sera pas en mesure de maintenir les matériaux séparés, ce qui entraînera une friction et une usure élevées. En revanche, l'utilisation d'un lubrifiant dont la viscosité est trop élevée augmentera la friction, les températures augmenteront et les couches d'huile glisseront les unes sur les autres en raison du cisaillement interne de l'huile.

Malgré cela, la lubrification limite a certainement sa place. Il joue un rôle important dans la réduction de l'usure chimique et adhésive. La lubrification limite est également couramment utilisée dans des conditions de faible vitesse et de faible coût, comme les charnières de porte.

Lubrification mixte

La lubrification mixte est souvent considérée comme une étape intermédiaire entre la lubrification aux limites et la lubrification à film plein (élastohydrodynamique ou hydrodynamique). Pendant la lubrification limite, le coefficient de frottement diminue considérablement lorsque la vitesse de glissement augmente. Cela réduit la quantité de contact entre les surfaces de glissement et la friction diminue jusqu'à un point connu sous le nom de lubrification mixte.

Comme son nom l'indique, le glissement métal sur métal implique toujours une charge abrasive pendant la lubrification mixte, tandis qu'une certaine charge se produit également sur le lubrifiant. Lorsque l'épaisseur du film lubrifiant augmente, le régime évolue vers une lubrification élastohydrodynamique ou hydrodynamique, également appelée lubrification à film plein.

Lubrification par film plein

La lubrification par film plein se compose de deux types de régimes de lubrification différents, soit la lubrification hydrodynamique, soit la lubrification élastohydrodynamique.

Lubrification hydrodynamique :

Ce régime se produit lorsqu'un jeu de travail est créé et soutenu par un film complet de lubrifiant, par exemple entre un arbre rotatif et un roulement. Pendant les opérations, l'huile soulève l'arbre de la surface du roulement, ce qui réduit le risque d'usure. La lubrification hydrodynamique peut être comparée à l'aquaplanage dans une voiture. Un milieu à faible viscosité, l'eau en l'occurrence, supporte tout le poids d'une voiture en raison de la vitesse à laquelle elle roule.

Pour que la lubrification hydrodynamique soit pleinement efficace, les pièces coulissantes doivent être géométriquement similaires et une faible pression de contact doit être maintenue entre les surfaces. Le seul frottement notable qui se produit au cours de la lubrification hydrodynamique est celui de l'huile elle-même. Toutefois, ce régime exige que la viscosité de l'huile puisse maintenir un état hydrodynamique dans toutes les conditions de fonctionnement. Si les jeux sont trop réduits, par exemple en passant d'une vitesse élevée et d'une charge élevée à une vitesse faible et une charge élevée, les matériaux de glissement peuvent se toucher, ce qui entraîne un frottement et une usure.

Lubrification élastohydrodynamique

La lubrification élastohydrodynamique (EHL) fonctionne de manière largement similaire à la lubrification hydrodynamique. Cependant, dans le cas de l'EHL, le film est soumis à une pression extrême qui déforme élastiquement les surfaces de contre-roulement. Les surfaces se déforment à une vitesse comparable à l'épaisseur du film qui les sépare, mesurée en micromètres.

La découverte de la lubrification élastohydrodynamique a marqué une étape majeure tant dans la tribologie que dans la conception et les performances des éléments de machine. Ce régime est souvent utilisé sur des éléments mécaniques tels que les roulements à billes, les engrenages et les arbres à cames. La lubrification élastohydrodynamique est considérée comme une amélioration de la lubrification hydrodynamique en raison de la déformation élastique de la surface et de l'augmentation de la viscosité du lubrifiant causée par une pression élevée.

Dans cette série de trois articles, nous examinons trois parties principales de la tribologie et l'application de la tribologie en mécanique.

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