Paliers lisses – une analyse tribologique des surfaces de glissement et des approches basées sur la conception

Dans les conceptions mécaniques, la friction est généralement un facteur de perte pouvant accélérer l’usure des composants et entraîner leur défaillance. Elle résulte souvent du contact entre des surfaces en mouvement opposé. L’intégration de paliers lisses est l’un des moyens les plus efficaces pour réduire la friction entre ces composants en mouvement. Mais comment les paliers lisses fonctionnent-ils ? Comment les palier lisses réduisent-ils la friction et quelles approches de conception permettent d’optimiser le mouvement à faible friction ? Cet article explore la tribologie (science du frottement) et son rôle essentiel dans l’utilisation des paliers lisses.

Qu’est-ce que la tribologie et pourquoi son analyse est-elle pertinente pour les paliers lisses ?

La tribologie est également appelée théorie de la friction et, en termes simples, traite du comportement de friction de différentes surfaces les unes contre les autres. La tribologie se distingue en trois domaines centraux : Friction, usure et lubrification.

Mais qu’entend-on par friction ?

La friction est la résistance au mouvement entre deux particules en contact ou les surfaces d’un corps. Une distinction générale est faite entre la friction externe et la friction interne. La friction externe comprend la friction statique, la friction de glissement et la friction de roulement. La friction interne d’un corps, d’un gaz ou d’un liquide est appelée friction visqueuse et provoque la ductilité du matériau.

En particulier, la friction externe influence le comportement d’usure des matériaux et, dans la plupart des cas, entraîne une usure plus élevée ou plus rapide. L’usure est la perte progressive de matériau due à une cause mécanique. Elle survient lorsque le corps frotte trop longtemps ou trop fort. Cela se produit notamment lorsque deux composants non protégés entrent en contact tout en se déplaçant l’un par rapport à l’autre. La friction et l’usure sont des paramètres dits de perte. L’usure est généralement évidente par un changement de la surface du matériau. La lubrification est appliquée à ce stade : Les lubrifiants agissent comme un agent anti-frottement. Ils protègent les surfaces de contact et réduisent ainsi la friction et l’usure. Les particules de chaleur et d’usure sont éliminées en même temps.

La principale tâche des paliers lisses est d’assurer un mouvement à faible friction de deux surfaces mobiles l’une contre l’autre. Les paliers lisses assurent cette fonction grâce à leur matériau, à leur capacité de rétention des lubrifiants ou à leur conception spécifique. En plus de réduire la friction, l’utilisation de lubrifiants améliore également la douceur et les caractéristiques générales de fonctionnement d’un palier. Une analyse tribologique est donc très utile.

Aperçu des types d’usure

Il existe plusieurs types d’usure induite par différentes causes :

• Adhésion : une liaison atomique est créée entre les corps. Cause : Interaction moléculaire des différentes surfaces.
• Abrasion : Le corps de la base est rayé ou micro-usiné. Cause : La rugosité atteint des pics dans le corps opposé, les particules dures dans le milieu intermédiaire.
• Réaction tribochimique : Les corps de base et les corps opposés réagissent avec les particules ambiantes et de lubrifiant. Cause : Les surfaces sont chimiquement activées en raison de la friction. L’un des modes de défaillance due à l’usure les plus courants.
• Décomposition de surface : Des fissures se forment et continuent à grandir jusqu’à ce que les particules individuelles se détachent. Cause : Des contraintes alternées dans les zones de surface du corps.

Lubrifiants

Les lubrifiants sont utilisés pour réduire la friction tout en réduisant la corrosion. L’installation d’une interface lubrifiante réduit ou empêche le contact direct entre deux partenaires de friction. Dans la plupart des cas, le lubrifiant est basé sur une huile de base, qui est ajustée aux utilisations respectivement prévues par des additifs supplémentaires. Les lubrifiants sont disponibles dans des versions solides, liquides ou gazeuses avec une viscosité différente.

Huiles

Les huiles sont constituées d’une huile de base, par ex. huile minérale, ester ou polyglycol et de plusieurs additifs. Ce sont de bons conducteurs thermiques et ils peuvent être utilisés à des températures et des vitesses élevées, par exemple, dans les paliers lisses et les chaînes. Les additifs sont utilisés pour ajuster intentionnellement les propriétés de l’huile, par exemple pour réduire l’usure ou la corrosion. Les huiles peuvent également être utilisées pour le nettoyage car elles absorbent les particules de saleté.

Graisses

Les graisses sont constituées d’une huile de base et d’un épaississant (également appelé savon). L’épaississant détermine les caractéristiques de performance. Les graisses restent directement au point de lubrification et neutralisent définitivement la friction. Elles offrent une protection contre la pénétration d’humidité et de saleté.

Lubrifiants solides

Les lubrifiants solides, par exemple, le graphite ou le sulfure de molybdène, sont utilisés sous forme solide. Ils produisent une très faible friction et ont une résistance à la température élevée. Les lubrifiants solides sont, par exemple, utilisés lorsque les lubrifiants liquides ne peuvent pas être utilisés, comme dans un environnement sous vide ou à des températures extrêmes.

Classes de viscosité

La viscosité est une propriété définie pour les liquides et les gaz (collectivement appelés fluides) et représente la friction interne des liquides. La viscosité est le résultat des forces attractives des particules dans le fluide et est générée par la friction interne des fluides. La viscosité affecte donc directement la friction. Les huiles moteur, les fluides de transmission et les lubrifiants industriels possèdent des classes de viscosité spécifiques et sont, par exemple, classés selon la SAE (Society of Automotive Engineers) ou l’ISO.

Cependant, la viscosité dépend également de la température du lubrifiant. Les différents niveaux de viscosité sont donc souvent indiqués pour deux états. Pour les huiles moteur telles que SE 5W-30 ou SE 15W-40, le premier chiffre indique la fluidité à basse température et le deuxième chiffre indique la viscosité à la température d’utilisation. Par exemple, plus le chiffre est bas, plus l’huile est fluide.

De manière générale, il existe les viscosités suivantes :

• Faible viscosité : Matériaux très liquides tels que l’eau ou l’essence qui s’écoulent facilement et rapidement sans résistance. Utilisés pour les charges de compression faibles et les vitesses de glissement élevées.
• Viscosité moyenne : Matériaux visqueux, tels que l’huile de colza ou la mélasse, qui s’écoulent plus lentement et présentent une résistance notable.
• Viscosité élevée : Substances pâteuses, telles que les adhésifs très épais qui s’écoulent donc fortement et lentement avec une résistance élevée. Elles présentent souvent des propriétés plastiques. Utilisées pour les charges de compression élevées et les faibles vitesses de glissement.

Principes de base du roulement lisse

Les roulements lisses sont robustes et fiables. Les surfaces de glissement spéciales permettent de réduire le mouvement de friction du composant en contact. Contrairement aux roulements, un composant soutenu par un palier lisse glisse sur une surface de palier. Les forces à absorber ne sont pas réparties sur des points individuels, comme sur un roulement à billes, mais sur une plus grande surface. Des forces plus élevées peuvent être absorbées en conséquence. Les paliers lisses sont également caractérisés par une conception simple et peu encombrante et des propriétés d’absorption du bruit et des vibrations. Les paliers lisses peuvent être réalisés sous différentes formes, par exemple sous forme de douilles, de plaques ou de barres. La friction de glissement, qui agit contre la force de poussée, se produit pendant le mouvement de glissement. Il est donc utile de lubrifier les paliers lisses avec un milieu intermédiaire réduisant la friction.

Il peut s’agir, par exemple, de l’un des éléments suivants :

• Gaz (sépare les surfaces à des températures extrêmement basses)
• Huile (par ex. pour les roulements lisses hydrodynamiques)
• Lubrifiants solides (p. ex. à haute température ou forces centrifuges)
• Champs magnétiques (par ex. dans les salles blanches).

Sélection de paliers lisses

Il existe différents types de paliers lisses. Par exemple, MISUMI propose des paliers lisses sans entretien sur lesquels les douilles sont directement imbibées de lubrifiant ou sont équipées de lubrifiant intégré, ou de douilles de guidage avec lubrification. Cela ne nécessite aucune relubrification, ou seulement une relubrification exceptionnelle. Les paliers lisses sans entretien sont recommandés pour les charges lourdes et les conditions exigeantes. Il existe plusieurs versions de matériau : Bronze fritté, pièces coulées, alliage de cuivre, plastique, ainsi que diverses variantes de couches de composés.

Les formes courantes comprennent :

• Droit : peut être facilement monté si aucun support supplémentaire n’est nécessaire, par ex. mouvement axial de l’arbre
• Avec bride : Les brides offrent stabilité et facilité d’assemblage
• Versions presse (standard, trou de vis) pour des connexions permanentes entre le palier et le logement, meilleure répartition de la charge
• Les rondelles protègent les surfaces du palier, répartissent la pression uniformément
• Plaques coulissantes : Fournissent un grand espace contact pour une meilleure répartition de la pression et une friction réduite

Le tableau suivant présente un aperçu des différentes formes :

Comme dans l’exemple ici, des paliers lisses simples peuvent être utilisés dans un levier à came :

Consultez notre article, Paliers lisses - Économies de coûts grâce à des produits économiques, pour plus d’informations sur la sélection des paliers lisses.

Approches basées sur la conception pour optimiser la lubrification

Il existe plusieurs approches basées sur la conception pour assurer une lubrification efficace. Dans un environnement poussiéreux et agressif, il est par exemple recommandé d’équiper les paliers lisses d’un joint d’étanchéité. Cela maintient le fonctionnement et la lubrification. Lors de l’utilisation de joints d’étanchéité, une surface lisse de la surface de glissement est avantageuse. Dans le même temps, une surface lisse signifie également que les huiles n’adhèrent pas bien. Le choix du lubrifiant doit être ajusté en conséquence.

Les rainures peuvent également être utilisées pour optimiser les performances de lubrification. Les rainures de lubrification, par exemple le long de la surface de glissement, peuvent servir de réservoir pour les lubrifiants et ainsi assurer un approvisionnement continu en lubrifiant. Lors de l’utilisation d’additifs solides, il est également recommandé d’utiliser des rainures ou des trous dans la zone de décharge, car certains solides ont tendance à former des pâtes, ce qui réduit la durée de vie du palier lisse. En fonction du lubrifiant, une forme de rainure appropriée doit également être sélectionnée et des trous de lubrification doivent être ajoutés selon les besoins. Les poches en forme de diamant sont adaptées à la lubrification à la graisse, les bouchons sphériques pour les lubrifiants liquides et les huiles lubrifiantes et les perforations ou trous de lubrification, lorsque des huiles et des graisses lubrifiantes sont utilisées.

La sélection des matériaux peut également être importante pour optimiser la lubrification ou minimiser la friction de glissement, même sans ajouter de lubrifiant. Les surfaces mécaniquement lisses, par exemple, ont un bon comportement de billes, ce qui réduit la friction. Cependant, comme mentionné plus haut, les huiles n’adhèrent pas bien dans ce cas. Les métaux frittés ont des structures et des propriétés spéciales qui facilitent la lubrification. Leur structure poreuse favorise l’apport en lubrifiant en créant un réservoir de lubrifiant. Une autre approche consiste à utiliser un traitement de surface. Les couches de glissement en PTFE, graphite ou céramique peuvent améliorer la lubrification des paliers lisses. Par exemple, les céramiques offrent également une résistance aux hautes températures et le PTFE offre une bonne résistance chimique, ce qui élargit également le domaine d’application des paliers lisses.