2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 1 sur 22 I. Introduction Dans un mécanisme, lors du mouvement relatif entre deux pièces en contact, sous une charge normale, l application du modèle de Coulomb nous dit que l effort tangentiel nécessaire pour produire le déplacement est tel que (avec f désignant le coefficient de frottement). Si la vitesse relative entre les deux pièces est V, la puissance dissipée en chaleur est TV et est directement proportionnelle au coefficient de frottement. Diminuer ces frottements, c est augmenter le rendement des mécanismes et diminuer leur usure. Il est donc important de chercher à réduire le coefficient de frottement au sein d une liaison. Cette résistance au déplacement est fonction d un grand nombre de paramètres (matériau en contact, état des surfaces en contact, etc.), la lubrification éventuelle du mécanisme est un critère très important pour la diminution de la résistance au déplacement. II. La lubrification A. Fonction réalisée par le système de lubrification Réduire les frottements, tout en favorisant le mouvement ou le glissement afin d éviter le grippage entre deux surfaces frottantes (par exemple pour les moteurs à combustion interne, diminuer la consommation de carburant). Protéger les organes mécaniques contre l usure et la corrosion (garantir la longévité et l efficacité du composant). Maintenir la propreté, garantir la longévité du composant en maintenant l ensemble des pièces dans un bon état de propreté tout en évacuant les impuretés vers un filtre à huile, en assurant des vidanges régulières et le remplacement du filtre. Participer à l étanchéité (indispensable pour assurer un fonctionnement correct). Évacuer efficacement la chaleur (refroidir le composant pour éviter la déformation des différentes pièces : ceci nécessite souvent un échangeur de chaleur). Il existe 4 types de régime en fonction de l épaisseur de la couche de lubrifiant : Le régime sec, qui est caractérisé par une absence de lubrifiant et un contact direct entre les surfaces, le frottement, l usure et l échauffement peuvent être importants, Le régime onctueux, lorsqu un film de produit lubrifiant est interposé entre les deux surfaces en contact (épilamen) et que l épaisseur de ce film est faible devant la hauteur maximale des aspérités des surfaces en contact, le frottement et l usure sont diminués, Le régime mixte, c est un mélange de frottement onctueux et de frottement hydrodynamique, caractérisé par une portance hydrodynamique et quelques contacts locaux avec épilamen, le frottement est diminué, Le régime hydrodynamique, lorsque l épaisseur du film de lubrifiant est supérieure à la hauteur des aspérités et qu il ne reste plus aucune partie des surfaces en contact, les résistances au mouvement correspondent au cisaillement des différentes couches de fluide entre la surface fixe et la surface mobile (viscosité). Pour peu que la vitesse relative soit suffisante, le frottement est très réduit et l usure quasi nulle (pas de contact direct). B. Les différents types de lubrifiant Le lubrifiant est un produit qui, interposé entre les deux surfaces frottantes d un mécanisme, réduit le frottement et par conséquent l échauffement, tout en combattant l usure des mécanismes. Historiquement, l usage des lubrifiants remonte à la plus haute Antiquité. Les produits utilisés furent, jusqu au XIX ème siècle, essentiellement des huiles et corps gras animale ou végétale. Puis les huiles d origine pétrolière s imposèrent vers la fin du XIX ème siècle, mais ce n est qu à partir de 1930, et surtout pendant la seconde guerre mondiale, que les grandes découvertes en matière d additifs et de lubrifiants de synthèse ont été faites. Ensuite les progrès furent continus dans tous les domaines avec, cependant, dans les années soixante, un véritable foisonnement de recherches, sous l impulsion de la course à l espace, dans le domaine des lubrifiants non conventionnels.
2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 2 sur 22 Composition d une graisse ou d une huile lubrifiante Les lubrifiants classiques, huiles et graisses, qui ne sont pas des corps gras (au sens chimique du terme) sont élaborés dans des unités spécialisées intégrées à certaines raffineries de pétrole. Des coupes plus ou moins lourdes de pétrole brut, selon que l on souhaite aboutir à une huile ou à une graisse, subissent des traitements successifs en vue d éliminer les impuretés, les composés les moins onctueux, ou les composés présentant une trop forte variation de leur viscosité en fonction de la température. On incorpore au lubrifiant des additifs divers en fonction de son utilisation ; ceux-ci ont notamment pour effet de protéger contre l oxydation, d améliorer ses propriétés anticorrosives, son onctuosité (additif dit extrême pression), son indice de viscosité (stabilité de celle-ci en fonction de la température), ou de lui conférer un pouvoir nettoyant (huiles détergentes de moteur à combustion interne). La tendance actuelle consiste, pour les utilisations les plus exigeantes, à élaborer directement les lubrifiants eux-mêmes, par synthèse chimique. On peut effectuer un rapide comparatif entre les huiles et les graisses grâce au tableau ci-dessous qui résume les principaux avantages/inconvénients des graisses par rapports aux huiles. Avantages Permettent un graissage à vie Application aisée du lubrifiant Peuvent participer à l étanchéité Simplicité de conception et d installation Prix de revient faible Inconvénients Tendance au vieillissement Ne conviennent ni aux vitesses élevées avec charges élevées, ni aux cas où il y a de hautes températures et des calories à évacuer. C. Les principaux dispositifs de lubrification à l huile La lubrification à l huile permet d obtenir un régime onctueux, mixte ou hydrodynamique (dépend de la géométrie, de l état des surfaces en contact, du jeu, etc.). Il existe 4 grandes familles de dispositif de lubrification à l huile : - Lubrification par barbotage ou bain d huile, et par projections - Lubrification par brouillard d huile, - Lubrification par circulation d huile. 1. Lubrification par barbotage ou bain d huile et par projections Dans ce dispositif, on utilise les propriétés de l huile, viscosité, onctuosité pour son entraînement vers les surfaces à lubrifier, soit par l organe même (engrenages par exemples cf figure ci-dessous), soit par un organe interposé (chaîne, anneau, disque centrifuge etc.). La figure ci-dessous propose un système de lubrification classique appelé communément, lubrification par barbotage. Le choix de la quantité d huile est très important : trop d huile, il risque d y avoir des pertes d énergie et un échauffement dus au brassage, pas assez d huile et la lubrification de tous les éléments ne sera pas assurée, le refroidissement incomplet. Le niveau d huile doit pouvoir être vérifié régulièrement.
2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 3 sur 22 Souvent, il faut refroidir aussi le lubrifiant : un exemple de refroidissement forcé est donné par la figure ci-dessous, correspondant à un réducteur Roue Vis sans fin de 24,5 Kw pour N = 1500 tr/mn et i = 20. On peut aussi utiliser l effet centrifuge sur les composants du système ou sur des composants ajoutés (disque centrifuge) pour que des projections d huiles permettent de lubrifier l ensemble des éléments du système. L huile projetée ruisselle sur les parois du carter puis est canalisée vers les éléments à lubrifier grâce à des larmiers, des cuvettes, des canaux.
2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 4 sur 22 2. Lubrification par brouillard d huile Ce type de lubrification est utilisée dans le cas de vitesses très élevées, c est aussi ce type de lubrification que l on utilise pour les réseaux d air pneumatique. Le débit d air participe au refroidissement du système. 3. Lubrification par circulation d huile Ce système de lubrification est le plus complexe et le plus couteux. Une même pompe permet d envoyer l huile vers les différents composants du système à lubrifier, le système est compléter par des échangeurs thermiques pour le refroidissement et un filtre pour éliminer les impuretés. C est le type de lubrification que l on retrouve dans un moteur thermique. D. Lubrification à la graisse Les graisses permettent un frottement onctueux ou mixte. Du fait de leur consistance, elles sont stables au repos et sont plutôt solides, en service, sous l action des charges, la fluidité augmente et se rapproche de l huile de base. Il existe quatre types de lubrification à la graisse : - Dans le cas des roulements et d éléments standards, il peut y avoir des éléments graissés à vie, Ce type de lubrification est très pratique mais il ne convient que si la durée de vie de l élément est limité car il n y a pas de maintenance possible.
2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 5 sur 22 - Lubrification par graissage au montage, c est une solution simple et usuelle, le garnissage s effectue au montage de l ensemble, il peut être à vie ou périodique avec regarnissage après démontage et nettoyage des éléments (voir montages P 285 du Fanchon). Le démontage, le remontage et l accès doit être facilité lors de la conception pour améliorer les opérations de maintenance. - Utilisation de graisseurs, - Utilisation d un système de graissage centralisé. 1. Utilisation de graisseurs Ils permettent le regraissage périodique sans démontage du dispositif. Pour éviter les excès de graisse, des systèmes d'évacuation sont souvent prévus, en particulier pour la graisse usagée. Exemples : jeu des chicanes, bouchon de vidange, soupape à graisse, etc. L'utilisation de certains dispositifs spéciaux pour la conduite de la graisse, ou pour l'évacuation des impuretés, comme les bagues de répartition ou les canaux multiples, ne se justifie que sur des installations élaborées ou coûteuses. L'emploi des graisseurs automatiques diminue le nombre des interventions et garantit un graissage régulier. Graisseurs, graisseur automatique et pompe à graisse
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2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 7 sur 22 2. Utilisation d un graissage centralisé Complètement automatisé, il est intéressant lorsque les points à lubrifier sont nombreux (parfois jusqu'à plusieurs milliers) ou lorsque l'accès est difficile, sinon impossible. Il diminue les risques d'accident, les oublis, et évite l'arrêt des installations (améliore ainsi la disponibilité). Le lubrifiant est envoyé (pompe avec réseau de canalisations) sous pression, par intermittence, vers des distributeurs doseurs (ou nourrices, installées près des points à graisser) qui fournissent ensuite la dose prévue à chaque point. E. Choix d une lubrification pour les montages de roulement Nous pouvons mettre en place un organigramme permettant d aider le choix du type de lubrification dans le cas d un montage de roulement. Choix de la lubrification Intégration dans une machine lubrifiée à l huile? non Fortes charges? Fonctionnement continu? Calories à évacuer? non Vitesse circonférentielle élevée? non oui oui oui Vitesse circonférentielle élevée? non oui Utiliser l huile de la machine Choisir l huile La graisse est suffisante en général Choisir la graisse
III. 2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 8 sur 22 L étanchéité A. Qu est ce que l étanchéité Une enceinte est dite parfaitement étanche s il ne peut y avoir aucune circulation de fluide et/ou de particules entre l intérieur de cette enceinte et l extérieur de cette même enceinte. Une étanchéité correspond donc à une interdiction de passage. La fonction de service d une étanchéité en général, est de réaliser une frontière matérielle entre deux milieux ambiants différents. Ces deux milieux se différencient par la nature des fluides qui les composent. L étanchéité peut être décrite en fonction des critères suivants : Étanchéité statique : Étanchéité entre deux pièces sans mouvement relatifs (ou de très faibles amplitudes). Étanchéité dynamique : Étanchéité entre deux pièces avec mouvement relatifs de rotation et/ou de translation. Étanchéité absolue : Création d une frontière entièrement hermétique entre deux milieux. Étanchéité relative : Création d une frontière la plus hermétique possible entre deux milieux. Étanchéité directe : Étanchéité directe entre les surfaces (sans interposition de joints). Étanchéité indirecte : Étanchéité avec interposition d éléments déformables (joints, segments). Les critères à prendre en compte lors du choix d un type d étanchéité sont : Nature du fluide à étancher, Pression du fluide, Température et dilatation, Mouvement relatif des surfaces et vitesse de ce mouvement, Formes des surfaces, Rugosité des surfaces, Durée de vie souhaitée, Tolérance de fuite, Compatibilité chimique entre le joint et le fluide à étancher, Porosité des matériaux, Simplicité de la conception, Entretien, Coût. En fonction de ces différents critères, il est possibles de choisir parmi différentes solutions technologique afin d assurer une étanchéité : Contact direct (sans joint), Joints liquides et joints plats, Chicanes et déflecteurs, Joints statiques, Joints à lèvres à contact radial ou axial, Joints toriques et quadrilobes, Garnitures métalliques rotatives. B. Étanchéité statique Les surfaces en contact présentent des défauts (aspérités), le fluide peut donc s échapper de la zone sous pression. Pour empêcher le fluide de se glisser entre les aspérités, on peut : - Augmenter l effort de serrage entre les surfaces en contact pour déformer les aspérités, solution peu intéressante. - Diminuer les aspérités en polissant les surfaces en contact. - Réduire la taille d une des surfaces pour permettre un écrasement des aspérités, solution simple mais souvent indémontable. - Interposer un élément déformable (joint, pâte, colle ) qui comble les aspérités, solution la plus utilisée.
2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 9 sur 22 L étanchéité statique absolue directe nécessite des surfaces spécifiques (cône/sphère, cône / cône, cône /cylindre) de très bonne qualité (rodage ou rectification) et un serrage important, un assemblage par soudage ou par collage peut réaliser ce type d étanchéité mais il ne sera cependant plus démontable. Pour une étanchéité statique absolue indirecte, on peut utiliser des joints assemblés liquides, qui sont appliqués à l état liquide sur l une des surfaces du plan de joint avant l assemblage des pièces. Lors de l assemblage, le produit d étanchéité s étale entre les faces du joint, comblant les jeux, les vides, les éraflures et les irrégularités de la surface. Après l assemblage, le joint polymérise et assure une étanchéité durable. L utilisation de joints plats (papier, fibre, métalliques, composites), de joints toriques (préformés ou vendus au mètre) ou quadrilobes permet d effectuer une étanchéité statique relative indirecte. Exemples de joints toriques préformés et au mètre avec colle, joint plat pour carter L utilisation de joints plats nécessitent une étude poussée du serrage afin d obtenir une pression de contact la plus uniforme possible sur la surface de contact pour limiter les fuites. Exemples de joints quadrilobes et de joints plats
2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 10 sur 22 Montage des joints toriques dans le cas d une étanchéité statique Il existe des Joints spéciaux multi matériaux destinés à étancher les assemblages filetés (vis de fixation, bouchon de remplissage ou de vidange, etc.). Un anneau métallique permet un bon serrage et limite l écrasement du joint (rondelles BS).
2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 11 sur 22 C. Étanchéité dynamique Cette fonction est à réaliser le plus souvent entre des pièces ayant 1 voir 2 degrés de liberté au maximum (1 translation et une rotation). Lorsqu'il y a plus de deux degrés de liberté, l'étanchéité est réalisée, le plus souvent, par un soufflet en caoutchouc. D. Étanchéité dynamique en rotation L étanchéité dynamique pour un arbre en rotation peut être réalisée de diverses manières en fonction des vitesses, pressions dans les enceintes à étancher, natures des fluides, etc. Les méthodes les plus courantes sont : Utilisation de labyrinthes, Utilisation de joints à lèvres radiales, Utilisation de joints V-ring, Utilisation d anneaux d étanchéité. 1. Étanchéité sans contact (chicanes, labyrinthe et rondelles Z) Ce type d étanchéité est utilisé le plus généralement dans le cas d'un mécanisme lubrifié à la graisse ou pour un montage de roulements lubrifié à l huile avec une vitesse de rotation très élevée. Il n'existe pas de contact entre les deux éléments en mouvement (arbre et carter) mais seulement un passage suffisamment étroit (Labyrinthe, chicanes..) et de forme étudiée pour empêcher le passage du fluide d'un milieu à l'autre. Avantage : Inconvénients : Il n y a ni échauffement ni usure. La vitesse de rotation est illimitée. La pression doit êtres la même de part et d'autre de la frontière. Exemple d utilisation courante : Turbo compresseur de moteur (camion, voiture, )
2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 12 sur 22 L utilisation de rondelles Z est possible pour l étanchéité dynamique de roulements, ce qui permet l utilisation d éléments standards moins onéreux que la création de chicanes spécifiques.
2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 13 sur 22 2. Étanchéité par joint à lèvres Ce sont des joints pour une étanchéité dynamique très poussée, mouvement de rotation uniquement. Ils sont essentiellement utilisés avec les huiles. Compacts, ils se composent d une lèvre (en contact avec l arbre) en forme de couteau, frottant radialement sur l arbre et réalisant la frontière étanche. Un ressort de forme torique situé dans une gorge à l intérieur du joint permet de plaquer la lèvre sur l arbre rattrapant ainsi l usure de cette dernière. Principales variantes : joint à une lèvre ; joint à deux lèvres, la lèvre supplémentaire est dite anti-poussière. Conditions d utilisation : Ils doivent êtres utilisés sous faible pression (1 bar maxi). La vitesse circonférentielle (V) au contact avec l arbre est limitée à 20 m/s. Pour que les conditions de fonctionnement de ces joints soient satisfaisantes, il faut que la qualité de l arbre soit h11, que la qualité de l alésage soit H8, que l état de surface de l arbre (frottement de la lèvre) soit compris entre Ra=0,2μm et Ra=0,8μm, le défaut de coaxialité et le défaut de battement doivent être faibles. Dans le cas de l utilisation d huile comme lubrifiant, la lèvre est orientée vers l intérieur du carter afin d éviter au lubrifiant de sortir du carter. Dans ce cas, l utilisation d un joint à deux lèvres permet aussi d empêcher aux impuretés de rentrer. Dans le cas de l utilisation de la graisse comme lubrifiant, deux cas sont possibles : Graissage au montage : on place la lèvre dans le même sens que l huile pour éviter à la graisse de sortir de la cavité, Graissage périodique grâce à des graisseurs : on place la lèvre vers l extérieur afin que le joint puisse se comporter comme une soupape à graisse lors du remplissage en graisse neuve.
2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 14 sur 22 3. Étanchéité par joints V-Ring Ces joints à lèvre axiale assurent une protection efficace contre les projections d huile, d eau ou de boue, ils agissent de plusieurs manières : Joint frottant, Déflecteur, Effet de soupape. Ce joint est le plus souvent monté sur l arbre (à l intérieur pour l huile et à l extérieur pour la graisse) et sa lèvre frotte sur une surface plane perpendiculaire à l arbre. L état de surface de la surface frottante dépend de la vitesse ainsi que du type de fluide utilisé (Ra entre 0,2 et 2 μm). Il supporte de légers rotulages (1 à 4 ). Le joint peut être simplement enfilé sur l arbre, cependant pour des vitesses supérieures à 8 m.s -1, il faut mettre un blocage axial afin d éviter le déplacement du joint, pour des vitesses comprises entre 8 et 12 m.s -1, il faut rajouter un blocage radial.
2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 15 sur 22 Joint V Ring et représentation normalisée 4. Étanchéité par anneaux Nilos L étanchéité dynamique en rotation des roulements peut aussi être réalisée grâce à des anneaux Nilos, réalisés en acier zingués (ou inox dans certains cas), l étanchéité est alors assurée par frottement de la lèvre sur la face latérale d une des deux bagues du roulement. Ils sont intéressants pour leur simplicité d emploi et leur encombrement extrêmement faible. L étanchéité augmente à l usage grâce à la création d une rainure circulaire dans la bague du roulement (il faut donc veiller à avoir une bonne coaxialité). Les vitesses limites sont de 5 à 10 m.s -1 en fonction du type d anneau utilisé.
2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 16 sur 22 E. Étanchéité dynamique en translation 1. Joints toriques et quadrilobes Ces joints sont utilisés pour réaliser une étanchéité dynamique seulement lorsque le mouvement de l arbre par rapport à l alésage est une translation rectiligne à très faible vitesse. Les pressions peuvent être élevées, cependant dans le cas d une étanchéité dynamique, la différence de pression ainsi que le mouvement relatif peut introduire un risque d extrusion du joint (torique ou quadrilobe), il faut alors utiliser des bagues anti-extrusion.
2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 17 sur 22 Le joint quadrilobe apporte moins de frottements que le joint torique. Afin d éliminer complètement le risque d extrusion et d augmenter la plage de vitesse admissible (jusqu à 15 m.s -1 ), il est possible d utiliser des joints du type Turkon Glide Ring basé sur un ensemble composé d un joint torique et d une bague en téflon. 2. Autres joints Pour des vérins hydrauliques ou à gaz, on peut aussi des joints à lèvres en U ou en L. Ce sont des joints à simple effet pour tige ou piston, c est le fluide sous pression qui plaque la lèvre sur les surfaces assurant ainsi l étanchéité. Les constructeurs proposent un très large choix de joints différents, il est donc nécessaire de se reporter aux catalogues constructeur afin de connaître les caractéristiques de ces joints.
2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 18 sur 22 3. Exemple d étanchéité en translation pour un vérin 4. Cas intéressant d un piston
2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 19 sur 22 F. Données sur les joints toriques et quadrilobes 1. Joints toriques
2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 20 sur 22 2. Joints quadrilobes
2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 21 sur 22 G. Choix d une étanchéité 1. Cas général
2 Année PT S.I.I. CI 2 : Analyse et conception des mécanismes Page 22 sur 22 2. Cas d un montage de roulements Choix d un dispositif d étanchéité Pression élevée (> 1 à 3 bars) non Type de lubrification? graisse Vitesse circonférentielle élevée? non oui huile oui Vitesse circonférentielle élevée? non oui Garniture mécanique, presseétoupe Rainure centrifuge, passage étroit Joints frottants Chicanes Chicanes, joints frottants Pompe de circulation de piscine et garniture mécanique (repère 8 et photo)