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Les lubrifiants et leurs applications Niveau I: Notions de base BFF/VSS-Lubes -

Les lubrifiants et leurs applications Niveau I: Notions de base BFF/VSS-Lubes - 1 - Bildungs- und Forschungsfonds des Verbandes der Schweizerischen Schmierstoffindustrie Fonds formation et recherche de la Association de l’industrie suisse des lubrifiants Fondo monetario di ricerca e di formazione dell’ Associazione dell’industria svizzera dei lubrificanti Zentralstrasse 37, CH-8003 Zürich Tel. +41 (044) 213 13 30 Fax +41 (044) 213 13 33 e-Mail: info@vss-lubes.ch www.vss-lubes.ch Les Lubrifiants et leurs applications Niveau 1 Formation de base Les lubrifiants et leurs applications Niveau I: Notions de base BFF/VSS-Lubes - 2 - Notre ambition Cette introduction dans les bases de la tribologie couvre graissage, frottements et usure. C'est un éveil à la chimie des huiles de bases, des additifs, mais aussi une introduction à la formulation et aux applications des principaux types d'huiles , des graisses et des additifs. Ces documents ont été développés par le Professeur Wilfried J.Bartz (Tech.Akademie Esslingen (D); ils ont été mis en forme par les Dr Rowena Crokett (Eidgenoessische Materialpruefungs- und Forschungsanstalt (EMPA) ) et Dr Pierangelo Groening (EMPA). Dübendorf, Janvier 2009 (Seconde édition) Traduction française Biolubrifiants.com Les lubrifiants et leurs applications Niveau I: Notions de base BFF/VSS-Lubes - 3 - Index Page I. Notions de base de tribologie 2 1.1. Introduction 5 1.2. Friction 7 1.3. Usure 13 1.4. Graissage 13 II. Composition d'un lubrifiant 16 2.1. Pétrole et Brut 16 2.2. Huiles de base minérales 18 2.3. Huiles de base synthétiques 23 2.4. Huiles « bios » 29 2.5 Graisses 32 III. Additifs 33 3.1. Introduction 33 3.2. Mode d’action des principaux additifs 33 IV. Propriétés des lubrifiants 37 4.1. Introduction 37 4.2. Propriétés physiques, chimiques et technologiques des huiles 37 4.3. Propriétés physiques, chimiques et technologiques des graisses 39 4.4. Viscosité et écoulement 40 V. Types de lubrifiants et applications 45 5.1. Lubrifiants industriels 45 5.2. Lubrifiants automobiles 47 5.3. Huiles et fluides de travail des métaux 50 5.4. Autres lubrifiants 55 Glossaire des illustrations 56 Appendice 1 60 Résumé des principales normes DIN pour huiles et graisses Appendice 2 66 Présentation: La lubrification Glossaire de l'appendice 2 Les lubrifiants et leurs applications Niveau I: Notions de base BFF/VSS-Lubes - 4 - Les lubrifiants et leurs applications Niveau I: Notions de base BFF/VSS-Lubes - 5 - I. Notions de base de tribologie 1.1. Introduction Le concept de TRIBOLOGIE est apparu en 1966 lorsqu'on a eu besoin d'une expression pertinente pour définir les interactions entre friction, usure et graissage. Le vocable utilisé précédemment (« Technique de graissage ») se révélait trop limité: il bornait le concept à l'application d'un lubrifiant pour la résolution du problème tribologique qui se posait. Il y a d'innombrables définitions de la tribologie dont nous ne nommerons que trois: 1.1.1. Définition(s) i)Tribologie (du grec: étude de la friction): La tribologie fait partie intégrante du domaine de la construction des machines. Cette partie est utilisée par des constructeurs de machines, mais aussi par des mécaniciens, des chimistes, des physiciens. La tribologie décrit scientifiquement friction, graissage et usure. Elle développe des technologies visant à optimiser les frictions. ii)D'après la norme DIN 50323 : La tribologie est la science qui étudie les interactions de deux surfaces en mouvement l'une par rapport à l'autre. Elle englobe la technique associée et l'ensemble des secteurs de la friction et de l'usure, y compris le graissage. Elle y étudie les interactions entre les surfaces de contact, mais aussi celles des solides, liquides et gaz présents entre ces surfaces.(cette norme a disparu depuis quelques années). iii)L'une des meilleures définitions reste cependant celle de Peter Jost qui date de 1966: La tribologie est la science qui s'occupe des surfaces en mouvement relatif l'une par rapport à l'autre, de la technologie qui en découle et des phénomènes concrets qui en résultent. 1.1.2. Les systèmes tribologiques Le frottement est l'un des phénomènes physiques les plus anciens connus. C'est certainement l'un des plus importants par ses implications technologiques. C'est la raison pour laquelle le concept de tribologie a été introduit en 1966. Une évaluation a été faite sur les USA : les couts annuels liés à la méconnaissance de la Tribologie sont équivalents à 6% du produit intérieur (environ 420 Milliards $). Le but de la tribologie consiste à minimiser les pertes de matériau et d'énergie liées à l'usure et au frottement; c'est donc d'arriver à fabriquer des systèmes mécaniques et énergétiques efficaces. L'amélioration qu'elle apporte aux surfaces en mouvement (au système tribologique donc) permet d'améliorer efficacité et durée de vie des machines. Les aspects (tant techniques qu'économiques) améliorés par la tribologie sont : ¾ Performance et rendement ¾ Fiabilité et durée de vie ¾ Économie d'énergie et de composants ¾ Impact environnemental Les lubrifiants et leurs applications Niveau I: Notions de base BFF/VSS-Lubes - 6 - Illustration 1.1 Un système tribologique d'après Czichos On trouve les applications de la tribologie partout où il y a mouvement relatif entre deux éléments. Par exemple: Paliers lisses (entre arbre et palier), Roulements (entre corps du roulement et billes, entre billes, pistes et cages ), Engrenages (entre les profils des pignons et des roues dentées).... Ces couples d'éléments se retrouvent dans toutes les machines : moteurs, transmissions, compresseurs, hydraulique et ainsi de suite...On rencontre de nouveau la tribologie dans le travail des métaux (tournage, fraisage, perçage etc), mais dans ce cas, c'est entre la pièce usinée et l'outil qu'il y aura friction. Illustration 1.2 Tour automatique en perçage profond 1.1.3. Optimisation du système tribologique Cette optimisation passe par trois types d'adaptations: 1. Diminution des contacts : Ce sont les changements qui visent à effectuer des mouvements sans aucun contact . Par exemple : Rails et Glissières magnétiques. 2. Diminution des efforts : Ce sont les mesures qui sans modifier les mouvements diminuent les efforts nécessaires pour les réaliser. Par exemple: remplacement d'un palier lisse par un palier à roulement. 3. Changements structurels du système: a) Par des choix à la construction: Envisager dès sa conception le système dans sa configuration et son dimensionnement sous un angle tribologique. b) Par le choix de la lubrification: Application et choix du lubrifiant adéquat. Pour le choix, il y a deux solutions: soit le lubrifiant sépare les surfaces en mouvement, soit il intervient par des réactions physiques ou chimiques. Les lubrifiants et leurs applications Niveau I: Notions de base BFF/VSS-Lubes - 7 - c)Par des choix de matières adaptées: La sélection des couples optimaux de matériaux ou l'usage de revêtements de surface optimisés. 1.2. Friction La friction est un concept physique (au contraire de la tribologie qui, elle, est clairement rattachée au génie mécanique et au comportement de ses systèmes), de ce fait il est plus général et ne se limite pas à la mécanique seule. Par exemple dans le cas des fluides: Les forces entre les molécules en mouvement dans un fluide déterminent ses propriétés d'écoulement. La constante qui caractérise les frottements internes du fluide est la viscosité (dynamique ou cinématique). Une viscosité élevée est le signe d'une friction interne élevée, d'un liquide visqueux. Mais la friction existe aussi dans un conducteur électrique; elle est à l'origine de la résistance électrique. De ce fait une définition plus générale de la friction sera: „La friction apparait toujours quand des objets sont soumis à une force (qui tend à les mettre en mouvement l'un par rapport à l'autre) et qu'ils opposent une résistance à cette force.“ Le type des objets et celui de la force restent à définir. Ils peuvent être: des électrons, des molécules, des particules, des objets solides, des étoiles etc.... Les forces peuvent être entre autres électriques, magnétiques ou mécaniques. Exemple des rails magnétiques: Le train repose sur des champs magnétiques puissants. Il n'a donc plus aucun contact avec le(s) rail(s). On élimine donc la résistance de roulement et l'usure inévitable qui en résulte. Il y a cependant toujours des pertes de friction ; elles sont imputables à la résistance de l'air pendant le déplacement et aux pertes électriques dans les aimants. La propulsion sur rail magnétique, de par sa nature sans contact ni usure, permet des vitesses supérieures à 500 Km/h. Illustration 1.3 Le train magnétique « Transrapid » lors de son inauguration à Shanghai. La friction mécanique se définit comme suit: „La friction mécanique est une force. Cette force diminue le mouvement relatif de deux pièces en contact (adhérence) et s'oppose au mouvement conduisant ainsi à une perte d'énergie mécanique.“ La dissipation d'énergie mécanique (l'énergie dite cinétique est l'énergie du mouvement) se matérialise par un échauffement des parties en présence que ce soit un échauffement de la surface des pièces, du lubrifiant ou de l'ensemble du système. Des exemples viennent tout de suite à l'esprit comme celui des disques de freins: le frottement y est utilisé et même recherché, plus grand est le frottement entre disque et plaquettes, plus efficace est le freinage et plus vite le véhicule s'arrête. Les lubrifiants et leurs applications Niveau I: Notions de base BFF/VSS-Lubes - 8 - Illustration 1.4 L'énergie de friction au freinage d'une voiture de compétition porte les disques au rouge. La friction est en général considérée comme uploads/Industriel/ les-lubrifiant.pdf