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Guide pour l’analyse de l’existant technique JLN 1 Partie 6 La Fonction Techniq

Guide pour l’analyse de l’existant technique JLN 1 Partie 6 La Fonction Technique de Base LUBRIFICATION LUBRIFICATION 1. Introduction 1.1 Frottement entre deux pièces Dans le mouvement relatif entre deux pièces en contact, sous une charge normale F, l’effort tangentiel T nécessaire pour produire le déplacement est T = µfF (µf désignant le coefficient de frottement). Si la vitesse relative entre les deux pièces est V, la puissance dissipée en chaleur est FV. Diminuer ces frottements, c’est augmenter le rendement des mécanismes et diminuer leur usure. Mais pour cela, il faut agir sur le coefficient µf et non sur F. 1.2 Définitions Le frottement entre deux surfaces est dit immédiat, ou à sec, dans le cas de surface directement en contact. Il est dit médiat, lorsqu’une substance quelconque, appelée lubrifiant, est interposée. Suivant l’épaisseur de cette pellicule interposée, le régime est dit onctueux ou hydrodynamique ; dans ce dernier cas, les surfaces baignent dans l’huile et la force de frottement sert à vaincre les résistances tangentielles qu’opposent les couches de lubrifiant à leur glissement mutuel. 1.3 Frottement immédiat Entre deux surfaces immédiates, plus ou moins rugueuses, il se produit dans le déplacement relatif un rodage plus ou moins rapide de la surface tendre par la plus dure, à moins que dans la première ne s’incrustent des particules plus dures, amenées par les poussières. En général le coefficient de frottement diminue si on améliore le poli (abaissement de la rugosité de la surface, par exemple Ra de 0, 8 et moins). Par contre si le poli des surfaces tend vers le parfait, des forces de cohésion (actions physico chimiques ou inter moléculaires) ont tendance à faire adhérer celles ci (Cf cales étalons que l’on peut combiner entre elles). Ces diverses influences augmentent avec la température, provoquent les grippages et arrachements de métal dans les mécanismes ; il devient alors nécessaire d’adopter le deuxième état de frottement, dit médiat. 1.4 Frottement médiat Guide pour l’analyse de l’existant technique JLN 2 Lorsqu’une substance lubrifiante est interposée entre deux surfaces, l’une fixe, l’autre mobile, il peut se produire trois cas. a) L’épaisseur du lubrifiant est très faible (beaucoup plus petite que la hauteur des aspérités, voir les notions de rugosités maximales) ; une couche adhérente moléculaire ou épilamen s’établit sur les surfaces, neutralisant le champ d’attraction moléculaire. C’est le graissage onctueux , assez fréquent dans la pratique industrielle. L’onctuosité du lubrifiant caractérise cette faculté plus ou moins grande de pouvoir former cet épilamen stable ; elle est difficilement chiffrable et dépend des tensions superficielles de la surface et du lubrifiant. Figure 1 : exemple de régime onctueux b) L’épaisseur du lubrifiant, bien que plus grande que dans les cas précédents, reste inférieure à la hauteur des aspérités et n’empêche pas le contact intermittent entre les surfaces métalliques ; le graissage est dit alors mixte ou imparfait. Il est très fréquent dans la pratique. c) L’épaisseur du lubrifiant est supérieure à la hauteur maximale des aspérités métalliques (voir à ce sujet le Rm des surfaces en contact) ; le graissage est dit hydrodynamique ou parfait. Un film d’huile sépare complètement les surfaces métalliques. Les résistances au mouvement correspondent aux actions tangentielles des diverses couches de Guide pour l’analyse de l’existant technique JLN 3 lubrifiant dont les vitesses varient de 0 (épilamen fixe), à V (épilamen mobile). La viscosité du lubrifiant caractérise ces résistances tangentielles (Voir à ce sujet le cours LA 313 & 336 en fluide pour les équations correspondantes). Nous n’envisagerons désormais, dans ce paragraphe, que le frottement médiat. Nous allons déterminer les variations du coefficient de frottement µf, entre deux pièces en contact : on admet fréquemment, dans une première hypothèse, que celui ci ne dépend que de l’état de ces surfaces et non de leur étendue ou de leur vitesse relative. Le graphique, figure 2, donne une bonne approximation des valeurs de µf (f sur le graphique) en fonction du nombre de Sommerfeld qui caractérise : - la variation d’épaisseur minimale ho du film de lubrifiant - la variation du coefficient de frottement - les débits d’alimentation q et de fuite qs - la variation d’angle Θ entre la direction du film d épaisseur minimale et la direction de la charge - la variation de pression maximale pmax à l’intérieure du film. - Le jeu relatif du palier (R/C) ≈ (D-d)/D Figure 2 : Variation de µf en fonction des différents régimes de lubrification Dans le cas de graissage (ou lubrification) hydrodynamique, des formules empiriques permettent de calculer, avec une assez bonne approximation, le Guide pour l’analyse de l’existant technique JLN 4 coefficient de frottement (noté µf) . Par exemple pour des paliers à film partiel, avec un jeu de 2d/1000 µf = 10-3 * 1,04 (µ*N/p)0,5 avec µ en 10-1 Poise (1P =0,1 Pa*s), N en tr/mn et p en bar. Un exemple numérique avec une huile de viscosité 2° Engler, soit environ 10-3 Poise, lubrifiant un palier de turbine tournant à 3 000 tr/mn, avec p = 15 daN/cm2, on a µf = 0,0046 . Figure 3 : Variation du nombre de Sommerfeld en fonction de l’épaisseur du film On remarquera sur la figure 4, que pour des vitesses très importantes, les guidages par roulement sont totalement inefficaces. De plus pour des gros réducteurs ou des paliers de machines de grandes capacités, on réalise toutes les liaisons pivots par palier lisse. Les paliers et les butées hydrodynamiques sont très sensibles à la température, car la viscosité de l’huile dont dépend le fonctionnement diminue très vite lorsque la Guide pour l’analyse de l’existant technique JLN 5 température augmente. C’est pourquoi ces paliers se calculent toujours sur la base d’un bilan thermique. Un palier lisse se calcule, un roulement se vérifie Figure 4 : Comparaison paliers lisses et roulements 1.5 Influence de la forme des surfaces : le coin d’huile a) Surfaces planes : Lorsque deux surfaces planes sont en mouvement relatif (Cf figure 3), et que l’une d’elles est inclinée sur l’autre (Cf plaque AB), le lubrifiant grâce à sa viscosité, s’enfonce entre elles comme un coin et tend à les séparer malgré l’existence d’une charge normale P. D’après Reynolds, cette action est maximal lorsque h1 = 2,2 h0, avec une pente de 1/3 000 et le centre de pression est décalé par rapport au centre de gravité de la surface. Figure 5 : Coin d’huile entre deux plaques planes Guide pour l’analyse de l’existant technique JLN 6 On favorisera la formation du coin en pratiquant un chanfrein sur l’arête avant en B. La répartition des pressions s ‘établit suivant les courbes C et D (CF figure 6). À l’arrière de la surface glissante, en A, il se produit une dépression que l’on peut atténuer en réalisant un chanfrein. Figure 6 : Formes de la plaque plane et distribution des pressions b) Surfaces cylindriques : Si l’on suppose un jeu dans un coussinet au repos, le tourillon en A (Cf figure 7). Par rotation dans le sens indiqué, le contact a lieu en B (Cf figure 7), mais si la vitesse augmente, l’huile située en d, entraînée, forme coin et repousse le tourillon en C, et en ce point il s’établit un certain état d’équilibre entre la charge P et les pressions exercées par l’huile comprimée en d. Les courbes de pressions affectent les formes C et D (Cf figure 6). Dans le cas de la courbe D, la pression ne peut être uniforme, par suite de fuites latérales et la pression maximale p1 est nettement supérieure à la pression diamétrale moyenne (p = P/D*L) ; ainsi pour p = 24 daN/cm2, p1 = 45 daN/cm2 (Expérience de Tower) Toutes ces informations vous seront développées dans les modules LA 313 & 336. Figure 7 : points de contact sur un palier lisse La figure 8 montre la répartition de pression dans un palier ainsi que l ‘équation régissant la variation de pression en fonction de l’angle Θ . Guide pour l’analyse de l’existant technique JLN 7 Figure 8 : Répartition de pression dans un palier lisse Toute cause provoquant un agrandissement de volume, telle que rainure, patte d’araignée, trou de graissage, entraîne une rupture de la courbe de pression suivant les courbes b) comparativement à la courbe a) qui est la bonne répartition (Cf figure 9). Cependant aux faibles vitesses et fortes pressions, ces rainures peuvent se justifier car elles permettent au film partiel de se reformer, et dans les cas défavorables, elles servent pour irriguer les surfaces et maintenir au moins le régime onctueux. Ces rainures doivent ètre normale à la vitesse et abondamment alimentées par les bassins relais. L’alimentation du film en huile doit toujours se faire dans les régions de moindre pression. Guide pour l’analyse de l’existant technique JLN 8 Figure 9 : Influence d’une rainure sur la pression Compte tenu de ces considérations, voici quelques formes de surfaces favorisant la formation du coin d’huile (Cf figure 10), puis un exemple de palier lisse vous est donné par la figure 11. Figure 10 : Formes de rainures sur uploads/Management/ ae-gm-lubrification-light.pdf