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

Figure 1 : Lubrification

La lubrification joue un rôle important 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 superficielle, 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 d'économiser de l'argent.

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

Dans cette série en trois parties, nous examinerons les trois principaux aspects de la tribologie et l'application de la tribologie à la mécanique :

Remarque : Actuellement, nous ne vendons pas de lubrifiants.

La fonction des lubrifiants en tribologie

Jusqu'au début du 20e siècle, la lubrification se faisait principalement à l'aide d'huiles minérales, d'huiles végétales et d'huiles animales. Depuis lors, l'industrie a fait d'énormes progrès vers une vaste sélection d'agents lubrifiants différents, tandis que la technologie impliquée dans ces lubrifiants a également changé de manière significative.

La courbe de Stribeck

Figure 2 : La courbe de Stribeck

La courbe de Stribeck montre comment le frottement (μ) évolue avec l'augmentation de la vitesse (m/s). Cela nous permet d'identifier trois régimes de lubrification différents :

Lubrification limite (figure 2 étiquetée A) : Contact direct entre des surfaces solides, charges portées principalement par les aspérités de la surface, frottement élevé.
Lubrification mixte (figure 2 étiquetée B) : Certains contacts avec les aspérités, la charge étant supportée à la fois par les aspérités et par le lubrifiant.
Lubrification à film complet (figure 2 étiquetée C) : Très peu de contact avec les aspérités, la charge est supportée par la pression hydrodynamique.

Lubrification limite

En termes simples, la lubrification limite est la lubrification de surfaces par des films fluides très fins, de sorte que les coefficients de frottement 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, la lubrification limite concerne généralement les roulements, les engrenages, les segments de piston, les pompes et les transmissions. Il en résulte une fine pellicule dont l'épaisseur varie de un à quelques dizaines de nanomètres entre le corps roulant et le corps glissant.

La tribologie considère la lubrification limite comme un facteur crucial car le frottement est à son maximum pendant ce processus. Les lubrifiants ayant une viscosité appropriée peuvent aider à prévenir la lubrification limite. Si la viscosité du lubrifiant est trop faible, il ne sera pas en mesure de maintenir les matériaux séparés, ce qui entraînera une friction et une usure importantes. En revanche, l'utilisation d'un lubrifiant à la viscosité trop élevée augmentera les frottements, 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 des produits chimiques et des adhésifs. La lubrification limite est également couramment utilisée dans des conditions de faible vitesse et de faible coût, telles que les charnières de porte.

Lubrification mixte

La lubrification mixte est souvent considérée comme une étape intermédiaire entre la lubrification à la limite et la lubrification à film complet (élastohydrodynamique ou hydrodynamique). En cas de 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 le frottement 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 connue sous le nom de lubrification à film complet.

Lubrification à film complet

La lubrification par film complet 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 fonctionnement 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 fluide à faible viscosité, l'eau dans ce cas, supporte le poids total 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 pendant la lubrification hydrodynamique provient du frottement 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 importante à une vitesse faible et une charge importante, les matériaux de glissement risquent de se toucher, ce qui provoque des frottements et de l'usure.

Lubrification élastohydrodynamique

La lubrification élastohydrodynamique (EHL) fonctionne de manière largement similaire à la lubrification hydrodynamique. En revanche, en cas de LPE, 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 importante dans la tribologie et dans la conception et la performance 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 la haute pression.