Tribologie/Guidages, généralités

Processus de transmission des efforts dans les assemblages et les guidages

Entre deux pièces ou ensembles mécaniques, les efforts peuvent être transmis de trois façons différentes :

• par contact direct, glissant ou roulant, entre des éléments solides,
• grâce à la pression d'un fluide,
• en utilisant des forces de sustentation agissant à distance.

Il faut noter que dans la plupart des contacts lubrifiés, les efforts sont transmis simultanément, et en proportions variables, par les aspérités des pièces et la couche fluide de lubrifiant.

Modes de fonctionnement

Assemblages fixes

Ils ne semblent pas concernés a priori par les problèmes tribologiques mais l'immobilité apparente des pièces cache souvent l'existence de petits mouvements au niveau des aspérités, en particulier pour les assemblages qui transmettent des efforts variables. On peut alors voir apparaître certaines formes d'usure et de dégradation comme la corrosion de contact ou usure induite par de petits déplacements.

Fonctionnement avec glissement pur

Les zones de contact et donc de transmission des efforts sont des surfaces relativement étendues. En chacun de leurs points, le déplacement relatif est une translation. Entrent dans cette catégorie les glissières, les paliers cylindriques lisses, les crapaudines et autres butées axiales pivotantes, les appuis axiaux sur les épaulements, les appuis sphériques des éléments roulants dans les roulements à rouleaux coniques, etc.

Fonctionnement avec roulement pur

Les zones de contact sont en théorie des points ou des segments de droites mais en pratique, ce sont plutôt des surfaces très étroites puisque les pressions de contact ne peuvent pas être infinies. Dans le cas idéal, les efforts transmis entre les surfaces sont purement normaux, mais le plus souvent des efforts tangentiels règnent dans le contact. Le mouvement est décrit par un taux de rotation parallèle à la ligne de contact et une vitesse relative nulle au niveau de cette dernière. On rencontre ce mode de fonctionnement dans les roulements à rouleaux cylindriques, les roulements à aiguilles, les contacts des génératrices dans les roulements à rouleaux coniques, entre les dentures des engrenages à axes parallèles dans le cas particulier où le contact a lieu au niveau des surfaces primitives, etc. Contrairement à ce que l'on pourrait penser, il est relativement rare dans les systèmes qui comportent des billes.

Fonctionnement avec roulement et glissement combinés

Il se produit dans de très nombreux mécanismes et associe, le plus souvent en les aggravant, les modes de dégradation liés au glissement et au roulement purs. On peut citer par exemple les contacts des dentures d'engrenages dans le cas le plus général, les systèmes de cames et poussoirs, les butées à aiguilles dans lesquelles le roulement est associé au pivotement, les roulements à rotule sur rouleaux, les butées à billes, etc. Dans le cas des roulements à billes, le roulement est presque toujours associé au pivotement, en particulier lorsque les contacts sont obliques ou les charges très fortes. Pour les contacts des roues de chemin de fer sur les rails, le contact n'est pas parfaitement roulant, bien qu'il s'en approche, car les bandages des roues sont coniques afin d'assurer la stabilité du guidage et d'imposer la trajectoire des trains dans les courbes. Il en résulte de toute manière des déformations dues aux efforts tangentiels et, le cas échéant, de petits mouvements de glissement.

Modes de frottement

Frottement immédiat

On appelle ainsi le frottement direct de deux objets, sans interposition volontaire de lubrifiant. En réalité, à moins que l'on fasse frotter sous vide des pièces parfaitement nettoyées et privées de leurs couches adsorbées, les matériaux qui constituent la masse même des pièces sont toujours recouverts de couches superficielles qui, au moins dans un premier temps, évitent tout contact direct entre eux. Ces couches sont constituées essentiellement d'oxydes et de produits adsorbés mais leur formation peut être aussi le résultat d'un traitement de surface destiné à les rendre aptes à l'usage prévu.

Le frottement immédiat se rencontre dans de nombreux petits mécanismes d'usage quotidien, là où les pertes d'énergie ne risquent pas d'engendrer un échauffement destructeur. Il suffit de regarder autour de soi pour trouver des exemples en quantité (guidage des touches de votre clavier d'ordinateur, guidage des tiroirs d'une commode en bois,...). Il est également mis en application dans des mécanismes de puissance qui fonctionnent généralement de manière temporaire, comme les freins ou les embrayages des véhicules. Le contact des roues du matériel ferroviaire sur les rails entre également dans cette catégorie.

Frottement médiat

Par opposition au précédent, les pièces fonctionnent cette fois-ci avec l'interposition d'un produit lubrifiant. Selon la nature et l'abondance du produit lubrifiant, diverses possibilités se présentent.

• lubrification limite : l'épaisseur du film lubrifiant est insuffisante pour isoler complètement les solides en contact ; si la charge devient trop forte, il ne subsiste qu'une couche adsorbée quasi monomoléculaire. C'est la solidité de cette dernière qui empêche les contacts métal sur métal. L'aptitude du lubrifiant à former une couche adhérente, appelée onctuosité, est ici une qualité primordiale.

• lubrification onctueuse : la couche de lubrifiant est plus épaisse, elle commence à porter une partie des charges mais il subsiste des contacts entre les aspérités des pièces. En général, les pressions sont plutôt importantes et les vitesses relatives plutôt faibles.

• lubrification « mixte » : le fluide supporte une partie importante des charges mais des contacts subsistent entre les aspérités. Le frottement est minimal mais ce régime est très instable et il vaut mieux l'éviter.

• lubrification hydrodynamique : le lubrifiant liquide est entraîné et mis sous pression par le mouvement relatif des surfaces. Il sépare totalement ces dernières et supporte l'intégralité des charges, grâce à sa viscosité, qui correspond à sa résistance à l'écoulement. Dans ce cas de figure les vitesses relatives ne sont jamais très faibles mais les pressions restent modérées, de sorte que l'on peut négliger les déformations des pièces et la compressibilité du lubrifiant.

• lubrification « pseudo-hydrodynamique » : l'huile arrive dans le contact par capillarité et forme un film lubrifiant par effet d'entraînement mais ce film ne peut pas véritablement être mis sous pression et supporter les charges. C'est ce qui se passe par exemple dans les coussinets autolubrifiants en bronze poreux.

• lubrification élastohydrodynamique : c'est un cas particulier du précédent, lorsque la pression dans le film liquide est suffisante pour déformer localement les solides en contact, comme c'est le cas lors du fonctionnement des engrenages. Cette déformation change la géométrie du film et la répartition des pressions, mais aussi les caractéristiques des lubrifiants : à 7 000 bars et 100 °C (conditions fréquentes dans les contacts), la viscosité des huiles naphténiques peut être multipliée par 100 000 !

• lubrification hydrostatique ou aérostatique : elle consiste à envoyer, à l'aide d'une pompe ou d'un compresseur, un liquide ou un gaz sous pression pour séparer les surfaces qui peuvent alors être ou non en mouvement relatif. Elle est la garantie d'un frottement extrêmement faible et d'une absence quasi totale d'usure mais il faut une source d'énergie extérieure.