Principes de la lubrification - Cours de Mécanique industrielle avec Maxicours

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Principes de la lubrification

 Principes de la lubrification

Imaginez les machines industrielles sans huile ni graisse.

Elle tomberaient immédiatement en panne.

En effet, la fonction principale d'une huile ou d'une graisse est de lubrifier les pièces d'une machine afin d'en réduire l'usure causée par le frottement.

Le frottement se définit comme étant une résistance à un mouvement entre des surfaces en contact.

  • Il y a toujours une résistance au mouvement lorsqu'on veut déplacer une pièce de métal par rapport à une autre.
  • Ce phénomène se produit continuellement dans le cas des pièces d'une machine industrielle.

Frottement: différents types

Il existe deux types de frottements :

  • le frottement par glissement  
  • le frottement par roulement.

1-Le frottement par glissement se produit lorsqu'un corps solide glisse sur un autre corps solide.

La figure 1.1 montre trois types de frottements de glissement :

(1) un bloc glissant sur une surface plane ;

(2) un piston glissant dans un cylindre (par exemple : un compresseur) ;

(3) un arbre tournant dans un palier (par exemple : un palier lisse).

Figure 1.1     Types de frottements de glissement.

2-Le frottement par roulement se produit lorsqu'un cylindre ou un corps sphérique tourne sur une surface plane.

Ce type de frottement offre moins de résistance au déplacement.

La figure 1.2 montre trois types de frottements de roulement :

(1) une boule roulant sur une surface  plane ;

(2) des billes roulant entre un arbre et une couronne ;

(3) un bloc se déplaçant sur deux rouleaux.

Figure 1.2     Types de frottements de roulement.

Frottement:Les causes

En industrie, les deux causes du frottement des métaux sont:

  • la rugosité de la surface des deux pièces;
  • la pression exercée sur les deux surfaces en contact.

1-Rugosité

Tous les métaux possèdent une surface rugueuse même s'ils ont subi un degré de polissage élevé. Observée au microscope, cette rugosité a une forme très irrégulière et ressemble à des dents de scie (figure 1.3).

Figure 1.3     Formes irrégulières de deux pièces de métal.

La figure 1.3 fait également voir que, lorsqu' une pièce de métal (A) est déplacée vers la gauche et qu'une pièce de métal (B) est déplacée vers la droite:

  • les aspérités des deux surfaces s'accrochent.
  • plus les pièces de métal sont rugueuses, plus les aspérités sont profondes et plus le frottement est grand.

La figure 1.4 présente les aspérités sur une section d'une dent d'engrenage neuve grossie 100 fois.

Figure 1.4     Aspérités sur une dent d'engrenage grossie 100 fois.

 

2. Pression

Si une pression est exercée sur les pièces A et B (figure 1.5):

  • les aspérités s'ancreront plus profondément les unes dans les autres et le frottement sera plus grand ;
  • le glissement se fera donc plus difficilement.
  • le frottement sera plus élevé lorsque les pièces de métal sont soumises à une plus grande pression.

Figure 1.5     Glissement de deux pièces de métal sous pression.

Film liquide

Comment réduit-on le frottement lors du déplacement de pièces de métal ?

La figure 1.6 montre bien l'épaisseur du film liquide séparant deux pièces en mouvement de manière que les aspérités des surfaces ne se touchent pas.

Figure 1.6     Film liquide entre deux pièces de métal en mouvement.

 

Lorsqu'un film liquide réussit à séparer les surfaces de deux pièces de métal en mouvement, on dit qu'elles sont lubrifiées, ce qui a pour effet de réduire le frottement.

Pour obtenir la bonne épaisseur d'un film liquide, il faut choisir un lubrifiant dont la viscosité est appropriée.

Les problèmes de la lubrification

En industrie, 80 % des problèmes de lubrification sont causés par le mauvais choix de la viscosité d'un lubrifiant.

Viscosité

La viscosité d'un lubrifiant est associée à sa résistance à l'écoulement.

On la mesure au moyen d'un viscosimètre qui permet de déterminer la viscosité cinématique.

La viscosité permet de connaître le temps que prend une quantité d'un lubrifiant à s'écouler dans un tube capillaire à toutes les températures dont les plus courantes sont 40°C et 100°C.

On retiendra que:

  • La viscosité est la propriété physique la plus importante d'un lubrifiant.
  • le temps d'écoulement d'un lubrifiant est plus court à 100°C qu'à 40°C.
  • Ce temps d'écoulement correspond à l'unité de mesure de la viscosité, exprimée en centistoke (cSt) selon une table de conversion.
  • Certains fabricants utilisent le système international comme unité de mesure, c'est-à-dire le millimètre carré par seconde (mm2/s) qui équivaut à 1 cSt.

Un lubrifiant dont la viscosité est bien appropriée permet:

  1. de réduire le frottement;

  2. de limiter l'usure avec un maximum d'efficacité.

Norme ISO

La norme ISO (International Standard Organisation) de l'Organisation internationale de normalisation est une exigence mondiale.

On la trouve sous plusieurs numéros. A titre d'information, le numéro de la norme ISO concernant la viscosité des lubrifiants industriels est ISO-3448-1975.

La classification de la norme n'est vérifiée qu'à 40°C, à l'aide d'un viscosimètre.

Cet appareil est employé dans les laboratoires d'analyse d'huiles selon la méthode ASTM D 445 (American Society for Testing and Materials).

Le tableau de la figure 1.7 présente  les classes de la viscosité cinématique moyenne, minimale et maximale selon la norme ISO prescrite.

Figure 1.7     Classification de la viscosité cinématique selon la norme ISO.

Classe de viscosité 
selon la norme ISO
Viscosité cinématique mm2/s
à 40°C valeur moyenne
Limite de viscosité à 40°C (mm2/s)
min.
max.
ISO VG 2
ISO VG 3
ISO VG 5

ISO VG 7
ISO VG 10
ISO VG 15

ISO VG 22
ISO VG 32
ISO VG 46

ISO VG 68
ISO VG 100
ISO VG 150

ISO VG 220
ISO VG 320
ISO VG 460

ISO VG 680
ISO VG 1 000
ISO VG 1 500
2,2
3,2
4,6

6,8
10
15

22
32
46

68
100
150

220
320
460

680
1 000
1 500
1,98
2,88
4,14

6,12
9,00
13,5

19,8
28,8
41,4

61,2
90,0
135

198
288
414

612
900
1 350
2,42
3,52
5,06

7,48
11,0
16,5

24,2
35,2
50,6

74,8
110
165

242
352
506

748
1 100
1 650

SKF

Remarquez la valeur moyenne qui correspond au numéro de la norme.

Par exemple, pour que le lubrifiant soit classifié ISO VG 220, il faut que sa viscosité cinématique se situe entre 198 et 242 cSt (valeur minimale et maximale) à 40°C ; sinon le lubrifiant est rejeté.

Tous les fabricants d'huile adoptent la norme ISO pour classifier la viscosité d'un lubrifiant.

Dans les fiches techniques des compagnies pétrolières, la classification de la viscosité cinématique est également appelée grade de viscosité ISO.

  • Un grade de viscosité élevé correspond à un temps d'écoulement très long
  • Un grade de viscosité bas, à un temps d'écoulement très court.
  • plus le chiffre est élevé (par exemple : ISO VG 1 500), plus le lubrifiant est épais;
  • lorsque le chiffre est bas (par exemple : ISO VG 2), le lubrifiant est fluide comme de l'eau.

Indice de viscosité

L'indice de viscosité se définit comme étant le taux de changement de la viscosité par rapport à la  température:

Plus l'indice de viscosité (VI) est élevé, moins la viscosité à tendance à changer.

L'importance de cette variation dépend de l'origine du pétrole brut et du raffinage.

La figure 1.8 présente un graphique de l'indice de viscosité.

Figure 1.8     Indice de viscosité (VI).

 

Distinction entre une huile et une graisse

Une graisse est une substance contenant de 75 à 95 % d'huile:

  • Sa densité varie de semi-solide à solide.
  • Elle contient de plus un agent épaississant qui lui donne sa consistance gélatineuse.

Comment la graisse lubrifie-t-elle les pièces de métal ?

Lorsque les pièces de métal en contact bougent, la graisse se liquéfie. Ce liquide est de l'huile localisée entre les surfaces en contact.

L'augmentation de la température de la graisse fait en sorte que l'huile s'en échappe et lubrifie les surfaces en contact.

Cette augmentation de la température provient du travail des pièces qui se déplacent. Si les pièces de métal refroidissent, l'agent épaississant modifie la nature de l'huile qui revient à sa forme initiale, c'est-à-dire : gélatineuse.

On dit que l'agent épaississant fonctionne comme un réservoir d'huile de lubrification.

La graisse joue le même rôle de lubrification qu'une huile mais, contrairement à l'huile, elle demeure en place.

L'étude sur les graisses industrielles vous exposera les raisons qui justifient l'utilisation d'une graisse plutôt qu'une huile.

En résumé sur les principes de la lubrification

A la suite de la lecture de cette étude, vous devriez retenir les points suivants plus particulièrement.

- Le frottement, qui est la résistance à un mouvement entre des surfaces en contact, provoque l'usure des pièces.

Un film liquide qui a une épaisseur suffisante permet de réduire le frottement et de diminuer l'usure.

- Les deux types de frottements sont le frottement par glissement et le frottement par roulement.

Les deux causes du frottement des métaux sont la rugosité de la surface des deux pièces en contact et la pression qui est exercée sur leurs surfaces en contact.

La viscosité cinématique est la propriété physique la plus importante d'un lubrifiant.

- L'unité de mesure de la viscosité cinématique est le centistoke (cSt) à 40°C selon la norme ISO.

- Une huile épaisse a une viscosité cinématique élevée et une huile fluide comme de l'eau a une viscosité cinématique basse.

- La viscosité d'un lubrifiant varie en fonction de la température.

- Une graisse est une substance contenant de 75 à 95 % d'huile ainsi qu'un agent épaississant qui lui donne sa consistance gélatineuse.

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