Technique : La lubrification

Le frottement est un phénomène passif dû à la structure de la matière qui s'oppose au mouvement.

Très tôt, l'homme fut obligé de trouver une solution aux problèmes qu'il pose et c'est probablement le hasard des observations qui lui enseigna le parti à tirer de la graisse. Les plus anciens témoignages remontent à la période égyptienne : il s'agit de dessins laissant supposer qu'il était habituel de rendre les surfaces glissantes en les enduisant de graisse ou d'argile pour transporter des pierres sur un plan incliné.

On a aussi retrouvé des traces de graisse animale sur l'essieu d'un char datant de plus de mille ans avant J.-C. Le but du graissage est d'éliminer le contact direct entre deux corps solides (frottement sec), responsable de l'usure et d'une grande déperdition de travail sous forme de chaleur. Le frottement entre deux corps dépend de leur dureté et surtout de l'état de leurs surfaces. Le contact ne s'établit jamais sur la totalité de celles- ci, mais uniquement au niveau des rugosités qu'elles présentent. Dans ces points s'exercent des pressions spécifiques très élevées avec une forte élévation de la température.

Ces deux phénomènes provoquent la fusion des points de contacts et des microsoudures entre les deux surfaces. Dans ces conditions, l'effort nécessaire pour provoquer le glissement augmente proportionnellement à la pression exercée sur les deux corps : une forte pression donne un coefficient de frottement élevé.

On préfère souvent utiliser deux métaux différents, car en cas de grippage, l'usure est ainsi limitée au métal le plus tendre. Si l'on interpose entre deux surfaces en mouvement réciproque une substance fluide, celle-ci joue pendant un certain temps le rôle de coussinet et évite le contact direct.

Dans ces conditions, la force de traction correspond à l'effort de glissement entre les couches fluides. La force de traction est égale à l'énergie dissipée par le mouvement des molécules de fluide qui, à l'intérieur du film, n'adhérent pas aux surfaces.

Elles sont soumises à une action d'écrasement et à un mouvement de roulement qui provoquent une augmentation de la température. Le comportement des molécules de lubrifiant est semblable à celui de billes élastiques interposées entre deux surfaces. Pour qu'elles puissent résister à l'écrasement, il faut que la force de cohésion entre molécules (viscosité) soit très élevée et ne diminue pas sous l'effet de la température ou du mouvement.

Si la viscosité devient insuffisante pour assurer une réaction élastique égale à l'action de compression s'exerçant sur les deux surfaces, les deux pièces entrent en contact. A ce moment-là intervient une autre caractéristique du lubrifiant : l'onctuosité, ou capacité d'adhérer fortement aux surfaces métalliques; le graissage n'est plus assuré par le coussinet d'huile, mais par les deux couches qui adhérent aux surfaces.

Aussi, bien qu'on ne soit pas en présence d'un frottement à sec, des contacts peuvent se produire en cas de fortes charges. Le degré de rugosité des surfaces est très important : une surface lisse en apparence présente en réalité un très grand nombre de saillies qui, bien que non visibles à l'oeil nu, n'en réduisent pas moins l'épaisseur du film.

Des surfaces parfaitement polies pourront supporter des charges supérieures et accepter un jeu plus faible sans risque de frictions entre les pièces. En ce qui concerne les cylindres des moteurs alternatifs, une légère rugosité est considérée comme souhaitable pour favoriser un rodage plus rapide et plus sûr. On réalisera ainsi simultanément le polissage du cylindre et l'appairage piston-cylindre.

En outre, en retenant une certaine quantité d'huile, les rugosités améliorent la lubrification durant la période de rodage. C'est précisément l'existence, dans les moteurs neufs, de parties imparfaitement lisses et insuffisamment adaptées qui provoque, à l'échappement, ces fumées d'une couleur bleuâtre caractéristique, déterminant une certaine consommation d'huile (dues aussi en partie à l'emploi de lubrifiants particulièrement fluides) ; ces phénomènes doivent être considérés comme normaux.

La séparation des surfaces de frottement est obtenue en injectant le fluide sous pression (lubrification hydrostatique), on aboutit ainsi à un coefficient de frottement très faible, même pour une vitesse de glissement réduite. La pompe à huile sera du type mécanique (pompe à engrenage) ou centrifuge. Dans ce second cas, la vitesse de rotation doit être élevée si l'on veut obtenir un bon graissage.

Les systèmes de graissage

Le système de graissage doit non seulement éviter tout contact direct des corps solides et réduire le coefficient de frottement, mais aussi refroidir les surfaces, éviter la corrosion, rendre inoffensives les substances susceptibles d'apparaître en cours de fonctionnement, comme, par exemple, les produits de la combustion dans un moteur, et favoriser l'étanchéité entre les pièces en mouvement relatif. Il existe différents moyens permettant d'amener le lubrifiant au contact des parties en mouvement d'un ensemble mécanique. Le choix sera dicté autant par l'architecture du moteur que par les exigences relatives à la quantité et à la température de l'huile.

On distingue :

- Le graissage par graisseur. La graisse, enfermée dans un dispositif spécial, est injectée entre les surfaces intéressées sous pression ;

- Le graissage goutte à goutte. L'huile s'écoule par gravité au-dessus de la zone à lubrifier ;

- Le graissage par barbotage. L'huile, contenue dans un récipient placé sous les pièces à lubrifier, est projetée sur celles-ci par l'intermédiaire d'un dispositif tournant qui plonge dans le récipient ;

- Le graissage forcé. L'huile est canalisée vers les pièces à lubrifier par un circuit sous pression.

Le plus simple et le plus économique à construire est le système dit « par barbotage » : il permet le graissage de tous les mécanismes fonctionnant partiellement immergés dans le lubrifiant (boite de vitesses, différentiel). Lorsqu'il s'agit d'un moteur, la distribution de l'huile est déterminée par les parties en mouvement qui, plongeant alternativement dans le lubrifiant, le projettent à l'intérieur du bloc ; ce résultat est parfois obtenu grâce à des cuillères fixées sur le vilebrequin ou la tête de bielle.

Cependant, le barbotage provoque des pertes de puissance assez considérables ; en outre, son efficacité dépend de la quantité d'huile présente dans le carter. Il s'est révélé incapable d'assurer une répartition suffisante d'huile dans les moteurs modernes, dont l'architecture est de plus en plus complexe, ce qui a motivé son abandon.

Plus efficace, le graissage par huile perdue, après avoir remplacé le système par barbotage, connut pendant longtemps de larges applications en automobile et en motocycle, grâce à sa simplicité. Schématiquement, il est constitué par un réservoir à partir duquel l'huile est envoyée (à l'aide d'une pompe ou par l'intermédiaire de la pression fournie par l'échappement) à un distributeur qui dose et distribue le lubrifiant par des graisseurs spéciaux.

Dans les moteurs modernes, où les contraintes mécaniques et thermiques plus élevées imposent un graissage particulièrement intense et sûr dans n'importe quelle condition de fonctionnement, on est obligé de recourir au graissage forcé par pompe.

L'huile, aspirée dans le carter, circule dans des canalisations ménagées dans les pièces ; récupérée après utilisation et refroidie, elle est remise en circulation. Le graissage sous pression offre différentes variantes selon le mode de récupération et de stockage du lubrifiant. Dans la plupart des moteurs de série, c'est la partie inférieure du carter qui joue le rôle de réservoir. L'huile qui ruisselle des surfaces lubrifiées tombe par gravité dans le carter où elle est refroidie avant d'être à nouveau aspirée par la pompe.

Le tuyau d'aspiration de la pompe devra toujours être complètement immergé, quelles que soient les secousses que l'huile subit au moment des accélérations. Cette condition fondamentale est difficile à satisfaire, surtout pour les voitures à moteur transversal, dans lesquelles, sous l'action de la force centrifuge et du roulis, la masse liquide subit dans les tournants des déplacements considérables. Pour éviter ces inconvénients, on recourt au graissage par carter sec, caractérisé par son réservoir d'huile séparé du groupe moteur. Il nécessite deux pompes, l'une pour amener l'huile aux points à lubrifier, l'autre pour récupérer l'huile qui s'égoutte des parois et la renvoyer au réservoir.

Le système à carter sec équipe actuellement tous les moteurs de compétition ainsi que certaines voitures de série aux performances élevées. Les avantages sont multiples : constance absolue des quantités de lubrifiant prélevées par la pompe d'alimentation ; suppression du carter inférieur, ce qui permet d'abaisser le moteur; possibilité de disposer d'une plus grande quantité de lubrifiant et de le refroidir d'une manière plus efficace.

LE GRAISSAGE DES DEUX-TEMPS

Dans les moteurs à deux temps munis d'un carter-pompe, l'huile ne peut ni circuler ni séjourner dans le carter, celui-ci devant être rigoureusement étanche pour remplir sa fonction de pompe.

Le graissage s'effectue alors par simple mélange de l'huile au combustible. Vaporisé dans le carter, le mélange adhère aux surfaces sur lesquelles il glisse en déposant une mince pellicule lubrifiante. La principale difficulté consiste à conduire les gouttes d'huile dans la zone de frottement entre la bielle et le maneton du vilebrequin. Pour cette raison, dans les deux-temps, le coussinet de bielle est toujours à aiguilles ou à rouleaux ; l'huile pénètre plus facilement dans les interstices compris entre les rouleaux ; en outre, du fait de l'existence d'un simple frottement de roulement, les conséquences d'une éventuelle insuffisance de graissage sont moins graves.

Le graissage par mélange exige la vaporisation du lubrifiant avec le carburant. Le moyen le plus simple consiste à faire parvenir au carburateur un mélange essence/huile ; mais cette méthode n'est pas sans défauts.

En effet : des difficultés de carburation surviennent du fait que le liquide qui traverse les gicleurs n'a pas une viscosité constante et que le mélange air/essence/huile n'est pas parfaitement homogène. Mais l'inconvénient majeur vient de ce que la quantité de lubrifiant fournie au moteur est fonction exclusivement de la quantité d'essence aspirée, donc de l'ouverture de la commande de l'accélérateur.

Dans ces conditions, le graissage est relativement intense à pleins gaz, mais fortement réduit quand le papillon est fermé, et ceci quel que soit le régime de rotation du moteur. Il peut arriver que ce dernier reste sans graissage pendant un temps assez long (d'où risque de grippage), notamment lorsqu'en descente, papillon fermé, on utilise le frein moteur.

Pour éviter cet inconvénient, et compte tenu du fait qu'il est souvent difficile de s'approvisionner en mélange, on utilise le système dit « à graissage séparé ». Il comporte un dispositif qui dose les quantités de lubrifiant injecté en fonction tant de l'ouverture du papillon que du régime de rotation du moteur. Les canalisations d'amenée débouchent au ras de la lumière d'admission du cylindre et aux roulements du vilebrequin. Le roulement aiguille de l'axe de piston est lubrifié par cette dernière canalisation lors de la compression.

Ce système, avec quelques variantes (graissage par barbotage du vilebrequin pour les blocs-moteurs), est universellement utilisé sur les moteurs à deux temps de motocyclettes.

LE GRAISSAGE DU VILEBREQUIN

Dans les moteurs automobiles à graissage par pompe entraînée par le moteur, le débit d'huile est toujours proportionnel à son régime de rotation, ce qui est très satisfaisant, la demande en huile croissant avec le régime. Lorsque le moteur est froid, la pression du circuit dépend exclusivement de l'étalonnage du clapet de décharge.

La pompe débite toujours, en effet, une quantité supérieure aux besoins pour compenser d'éventuelles pertes de charge, dues soit à la faible viscosité d'une huile trop chaude, soit à l'augmentation du jeu dans les moteurs usés. L'huile injectée sur les coussinets du vilebrequin parvient de ceux-là aux coussinets de bielle.

Ces pièces, qui sont les plus délicates du moteur, supportent les plus fortes contraintes; elles devront donc être soigneusement lubrifiées, leurs dimensions sont d 'ailleurs étudiées en fonction de leur graissage possible. Dans le calcul de la section et de la largeur d'un arbre interviennent non seulement les problèmes de résistance de la pièce aux différentes contraintes, mais aussi le graissage et le refroidissement éventuels.

Un axe de fort diamètre, présentant par conséquent une surface étendue, ne supportera qu'une charge spécifique relativement faible, mais possédera une vitesse de glissement élevée par rapport au coussinet. Inversement, un axe de petite section supportera une charge spécifique importante, mais sera soumis à une vitesse de glissement réduite.

En ce qui concerne le refroidissement par le lubrifiant, il sera plus facile de refroidir avec une huile fluide sous une pression de circulation élevée, ou avec un jeu plus important entre les pièces (à la limite, on peut affirmer que le vilebrequin usé d'un vieux moteur est plus efficacement refroidi que celui d'un moteur neuf).

Il est intéressant de considérer plus en détail les relations existant entre la pression, la viscosité et le jeu dans le graissage d'un palier. Lorsque le moteur tourne à un certain régime, le graissage du coussinet est essentiellement hydrodynamique, puisque la rotation excentrique de l'arbre (due à l'existence inévitable d'un faible jeu) le fait agir, à l'intérieur du palier, comme une pompe, ce qui entraine une augmentation considérable de la pression de la couche d'huile entre les surfaces.

Dans ces conditions, la pression d'huile à l'intérieur du palier est d'environ 80 atmosphères, valeur très supérieure à celle de la pression existant dans le circuit (toujours inférieure à 8-10 atmosphères). Ce n'est donc pas l'action directe de la pression engendrée par la pompe qui soutient l'arbre. La pompe remplace le lubrifiant qui s'est écoulé entre les deux surfaces, et dont l'épaisseur dépend uniquement de la viscosité de l'huile.

Pour cette raison, la valeur de la pression d'huile donnée par le manomètre n'est pas significative en soi (il existe même des différences considérables d'un moteur à l'autre) ; ce qui importe, ce sont les variations de pression par rapport à la valeur normale dans un moteur donné, qui correspondent aux variations de viscosité de l'huile. Si le manomètre indique une valeur supérieure à la normale, cela signifie que l'huile est trop visqueuse (ou que le clapet de décharge ne s'ouvre pas correctement) ; à l'inverse, si la valeur lue est trop basse, cela signifie que l'huile est devenue trop fluide (si la mesure est effectuée à chaud) ou qu'il existe un jeu excessif (si la mesure est faite à froid).

Le fait que le témoin de pression d'huile s'allume lorsque le moteur tourne au ralenti n'indique pas nécessairement une anomalie de fonctionnement du circuit de graissage. La pression au ralenti peut baisser soit à cause de la faible viscosité d'une huile trop chaude, soit à cause du jeu du vilebrequin, soit à cause d'une diminution de l'efficacité de la pompe ; en outre, il faut tenir compte de l'étalonnage de la lampe témoin ainsi que de la vitesse de ralenti, la pression de l'huile étant très faible pour un ralenti trop bas. La lampe témoin peut s'allumer également lorsqu'on adopte pour la première fois une huile multigrade (10 W-50, par exemple, à la place d'une huile normale SAE 30).

La viscosité à froid de cette huile étant beaucoup plus basse, la pression dans le circuit peut descendre jusqu'à la valeur limite pour laquelle le témoin s'allume. Et pourtant, le débit d'huile et son effet lubrifiant sont sans doute supérieurs. L'essentiel est que la lampe témoin reste constamment éteinte lors du fonctionnement à régime normal.

Pour être plus sûr et plus efficace, le circuit de graissage doit comporter certains accessoires tels qu'un filtre et un échangeur de chaleur, en plus des prises pour les différents indicateurs (témoin de pression minimale, manomètre, thermomètre).

Le filtre débarrasse le lubrifiant de toutes les impuretés qu'il porte en dispersion (particules de carbone, résidus de la combustion, ou particules métalliques provenant de l'usure ou du rodage).

Il est indispensable que l'huile soit filtrée en permanence, la présence d'impuretés pouvant endommager les surfaces et en accélérer l'usure. Les schémas montrent les deux montages les plus habituels de la cartouche sur le circuit. A gauche : montage en série, permettant de réaliser un filtrage total ; à droite : montage en parallèle. Les schémas indiquent également la position idéale que devrait occuper le manomètre pour donner des indications significatives. En effet, la pression varie le long du circuit en fonction de la résistance.

Les impuretés sont fixées par barbotage dans une cartouche, ou, plus rarement, par différence de densité (filtre centrifuge).

Le filtre peut être monté sur le circuit en série ou en parallèle. Dans le premier cas, il a l'avantage de filtrer l'huile sur le trajet pompe-moteur, mais l'inconvénient de causer une perte de charge dans le circuit ; de plus, en cas de colmatage, la régulation du débit sera directement affectée.

Dans le montage en parallèle, le filtre est disposé sur un circuit séparé, de telle sorte que seul l'excédent est filtré. Un échangeur de chaleur refroidit l'huile après son utilisation. Dans la plupart des cas, sa fonction est remplie par le carter inférieur.

On utilise un radiateur supplémentaire (monté habituellement en parallèle sur le circuit) uniquement pour les moteurs soumis à des contraintes importantes ou travaillant à une température élevée (tout terrain, voitures de sport, moteurs refroidis par air).

Lorsque le graissage est à carter sec, par contre, le radiateur d'huile s'avère indispensable, car il n'est pas possible d'obtenir autrement un refroidissement efficace. Dans les groupes boîte-différentiel des voitures de compétition, où les contraintes sont très élevées, il faut également prévoir un radiateur d'huile. Lorsque le graissage ne s'effectue pas à huile perdue (c'est-à-dire lorsque la même quantité d'huile recyclée lubrifie en permanence un mécanisme),

Il faut veiller à remplacer périodiquement le lubrifiant usé. En effet, le vieillissement modifie les caractéristiques du fluide au point d'en altérer les propriétés lubrifiantes.

Ce phénomène est provoqué par toutes les contraintes qu'elles subissent du fait du fonctionnement des mécanismes : sollicitations mécaniques et thermiques, oxydation, actions chimiques des impuretés et des gaz dissous. Une température de fonctionnement élevée favorise aussi le vieillissement rapide du lubrifiant et en réduit considérablement la viscosité. Les huiles modernes contenant des additifs supportent bien les températures élevées (dans les moteurs de compétition, la température de l'huile dépasse faci!ement 150 °C); mais, dans ces conditions, leur durée est très limitée.

Un remplacement fréquent de l'huile s'impose aussi lorsqu'on utilise la voiture pour de courts trajets, par conséquent sans laisser au moteur le temps d'atteindre sa température de régime ; en effet, les démarrages fréquents et la marche à une température trop basse provoquent des infiltrations d'essence dans le lubrifiant et la condensation de vapeurs contenant des substances acides.