Généralité sur la lubrification-graissage
Définition : procédé par lequel la friction entre deux pièces en mouvement est réduite (introduction d’un fluide séparant les deux surfaces).
Fonctions du lubrifiant : Réduire la friction (frottement ou déformation), réduire l’usure des pièces, absorber / atténuer les chocs, réduire / contrôler la température, protéger de la corrosion, isoler les composantes de la contamination, nettoyer / enlever les contaminants.
Types de lubrification :
Hydrodynamique : séparation de deux surfaces par un film relativement épais, par un mouvement dynamique de la pièce en mouvement.
Hydrostatique : introduction de lubrifiant sous pression entre les surfaces en mouvement (source de pression).
Elastohydrodynamique : semblable à hydrodynamique mais une des surfaces roule (roulement, dent profilée d’engrenage).
LES LUBRIFIANTS
Les lubrifiants ont pour rôle de réduire les frottements entre pièces en mouvement, ou de diminuer la résistance passive de pièces fixes. Ils sont obtenus par raffinage des fractions lourdes du pétrole brut. Les lubrifiants peuvent être liquides ou fluides (huiles), consistants (graisses ou gel de silicone), ou solides (graphite, téflon).
Les performances et caractéristiques diffèrent d’un lubrifiant à l’autre, leur seul point commun est qu’ils sont tous composés d’un constituant principal appelé « base lubrifiante », qui représente 75 à 85% de l’huile ou d’une graisse et qui peut être d’origine pétrolière ou synthétique.
LES BASES LUBRIFIANTES
Les bases minérales sont fabriquées à partir du pétrole brut. Elles sont de très loin les plus utilisées, aussi bien dans les applications automobiles qu’industrielles. Ce sont des mélanges d’hydrocarbures ayant subi de nombreuses opérations de raffinage.
Les bases de synthèse sont des produits obtenus par réaction chimique de plusieurs composants. Deux grandes familles de produits sont utilisées pour la formulation des lubrifiants : les esters et les hydrocarbures de synthèse. Ces produits présentent une viscosité remarquablement stable quelle que soit la température. Cette propriété est une supériorité majeure sur les bases minérales qui nécessitent l’adjonction d’additifs améliorants de viscosité en plus grande quantité. Leur résistance à l’oxydation est aussi accrue, d’où une plus grande longévité de l’huile qui permet un espacement entre vidange plus important.
A noter qu’il existe aussi des huiles dites de semi synthèse qui s’obtiennent à partir d’un mélange des deux précédentes (généralement 70 à 80% d’huile minérale et 20 à 30% d’huile de synthèse).
LES HUILES
Les huiles sont composées d’une base lubrifiante et d’additifs.
FONCTIONS DES HUILES MOTEURS
La facilité de démarrage dépend non seulement de l’état de la batterie, de l’allumage et de la qualité du carburant, mais également de la fluidité de l’huile moteur. Une huile trop visqueuse à la température de démarrage peut nuire au mouvement des pièces mobiles et empêcher ainsi le moteur de tourner assez vite. Comme toutes les huiles épaississent par temps froid, une huile conçue pour l’hiver doit être suffisamment fluide pour permettre des vitesses de démarrage appropriées à la plus basse température. Elle doit également être d’une part suffisamment fluide pour pouvoir atteindre rapidement les paliers et empêcher l’usure de ceux-ci et d’autre part, suffisamment épaisse pour assurer une bonne protection du moteur quand ce dernier atteint sa température de service.
Pourquoi vidanger ?
La vidange est une opération pour maintenir un véhicule en bon état.
L’intervalle entre deux vidanges est déterminé par le constructeur en fonction des performances techniques de l’huile et les caractéristiques du moteur. Il est en général fonction de deux paramètres:
Le kilométrage et le temps d’utilisation.
En tout état de cause, il est important de vidanger au moins une fois par an.
La dégradation des huiles en service est inhérente à leur utilisation.
Le taux de dégradation d’une huile dépend de divers facteurs, dont la composition chimique de l’huile de base, le type et la quantité des inhibiteurs et des additifs, et les conditions d’utilisation de l’huile en service.
Les principaux facteurs qui entrent dans la durée de vie d’une huile sont stabilité thermique et l’oxydation. La stabilité thermique d’une huile est sa capacité de résister aux changements chimiques, notamment en raison d’une hausse de température en l’absence d’oxygène. La stabilité à l’oxydation d’une huile est sa capacité de résister aux changements chimiques, en raison d’une hausse de température et en présence d’oxygène.
Une huile moteur de qualité garde ces substances en suspension jusqu’à ce qu’elles soient filtrées, ou drainées à l’occasion d’une vidange.
Toute huile se dégrade et perd ses propriétés dans le temps à cause des fortes pressions et températures auxquelles elle est soumise. Cette dégradation peut s’accélérer en fonction de l’utilisation du véhicule. Par exemple les trajets en ville ou les parcours à régime élevé sont particulièrement exigeants. L’huile est également polluée par des impuretés telles que les résidus de combustion, l’humidité, les poussières et le carburant imbrûlé…
C’est pourquoi il est essentiel de respecter un calendrier très strict de vidanges d’huile pour votre véhicule. La vidange et le remplacement du filtre à huile permettent d’enlever les contaminant nocifs qui peuvent s’accumuler dans l’huile moteur. Il est fortement conseillé de changer le filtre à huile à chaque fois qu’on fait la vidange de sa voiture. En effet, si vous remettez de l’huile propre dans votre carter, en conservant un filtre sale, votre huile deviendra rapidement sale: une des propriétés de l’huile est d’être détergente, c’est à dire d’être apte à décoller les dépôts pour ne pas qu’ils s’accumulent dans certaines parties du moteur. Cet (« effet de lessive « ) bénéfique en usage normal, va se traduire par un « nettoyage » en profondeur de votre filtre à huile, ramenant ainsi toutes les impuretés dan le carter.
Type de moteurs :
Moteur essence
Un moteur à essence, selon ses conditions d’utilisation, exige de l’huile des propriétés spécifiques :
A pleine charge, par exemple sur autoroute à grande vitesse, les températures en haut du piston et dans le carter sont élevées. Le lubrifiant doit avoir un bon indice de viscosité.
Au contraire sur de faibles parcours ou en service urbain, les bas niveaux de température de certaines parties du moteur favorisent les condensations d’eau et la formation de boues noires. Un lubrifiant hautement dispersif est nécessaire.
Moteur diesel
Le moteur diesel se caractérise par un niveau de température élevé en haut du piston, spécialement pour les moteurs suralimentés et par l’utilisation d’un combustible susceptible d’engendrer des suies, des vernis, des fractions imbrûlées et des résidus acides. C’est pourquoi les huiles pour moteur diesel ont des niveaux de détergence et d’alcalinité élevés.
Les moteurs diesel rapides à préchambre, qui équipaient encore récemment les voitures de tourisme, conduisent à des taux élevés de matières charbonneuses dans l’huile et exigent donc aussi des lubrifiants aux propriétés dispersives particulièrement efficaces. Les moteurs diesel rapides à injection directe les remplacent. Leurs contraintes sont plus sévères :
– Température en haut de piston en hausse à cause des pressions élevées d’injection de carburant et de la combustion qui se fait directement dans le piston évidé.
– Efforts mécaniques supérieurs dus au couple élevé généré par la combustion.
Ces points sollicitent fortement les performances détergentes et anti-usure du lubrifiant.
LES ADDITIFS DES HUILES : les additifs sont présents à hauteur de 15% à 25 % dans les huiles finies :
soit pour renforcer certaines propriétés de l’huile de base
soit pour apporter à l’huile de base des propriétés qu’elle ne possède pas naturellement
Les améliorants de viscosité : ils permettent à l’huile d’être suffisamment fluide à froid et visqueuse à chaud pour éviter le contact des pièces en mouvement. Ce sont des polymères introduits dans une base lubrifiante. Une huile contenant ces additifs est dite multigrade. Les polymères à longue chaîne se contractent à basse température et n’offrent ainsi qu’une résistance négligeable au mouvement des molécules d’huile mais, à haute température, ils se déroulent et s’opposent à la fluidification du mélange.
Les additifs anti-usure : ils renforcent l’action anti-usure qu’exerce un lubrifiant vis-à-vis des organes qu’il lubrifie. Ils agissent en formant un film protecteur, en réagissant directement ou par l’intermédiaire de leur produit de réaction avec les surfaces métalliques.
Les additifs anti-oxydants : ils ralentissent les phénomènes d’oxydation du lubrifiant et contribuent à l’espacement des vidanges par une meilleure tenue aux hautes températures.
Les additifs détergents : ils évitent la formation de dépôts ou de vernis sur les parties les plus chaudes du moteurs telles que les gorges des pistons. Ils exercent une action détergente, en particulier à l’intérieur des moteurs où ils empêchent que les résidus charbonneux de combustion ou composés oxydés ne forment des dépôts ou des gommes sur les surfaces métalliques. Les additifs les plus récents sont des polymères de composés basiques azotés qui ne laissent pas de cendres. Les huiles dites détergentes doivent être utilisées avec précaution dans les moteurs anciens car leur capacité à nettoyer les dépôts déjà sédimentés dans les carters (la calamine par exemple) peut entraîner l’obturation des canaux de circulation du lubrifiant.
Les additifs dispersants : ils maintiennent en suspension toutes les impuretés solides formées au cours de fonctionnement du moteur : imbrûlés, gommes, boues, suies diesel, dépôts nettoyés par les détergents. Ils empêchent les résidus solides de s’agglomérer et ainsi limitent le risque de dépôt (boues) dans les parties froides du moteur (carter).
Les additifs de basicité : ils neutralisent les résidus acides de combustion des carburants, principalement sur moteur diesel, au fur et à mesure de leur formation.
Les additifs anti-corrosion : ils empêchent l’attaque des métaux ferreux, attaque due à l’action conjuguée de l’eau, de l’oxygène de l’air et de certains oxydes formés lors de la combustion. Ils forment un film protecteur ou une passivation de la surface à protéger.
Les additifs anti-congélation : ils permettent au lubrifiant de garder une bonne fluidité à basse température (de -15°C à -45°C).
Les additifs anti-mousse : le moussage de l’huile peut être dû à la présence d’autre additifs (les additifs détergents agissent dans l’huile comme du savon dans l’eau : ils nettoient le moteur mais ont tendance à mousser) ou au dessin du circuit de graissage qui provoque des turbulences lors de l’écoulement du lubrifiant, facilitant ainsi le brassage air huile et la formation des bulles. Ces additifs ont pour but de limiter la dispersion d’un grand volume d’air dans l’huile.
Les additifs d’extrême pression : ils ont pour but de réduire les couples de frottement et par conséquence économiser l’énergie et de protéger les surfaces des fortes charges. Ils apportent au lubrifiant des propriétés de glissement spécifiques, en particulier aux organes équipés d’engrenages ou de garnitures de friction travaillant dans l’huile (ponts auto bloquants, boîtes de vitesse, manuelles ou automatiques, freins immergés, etc.).
LES GRAISSES
Les graisses sont composées de :
70 à 95 % d’huile de base (minérales, synthétiques ou végétales) qui sert d’agent lubrifiant
0 à 10 % d’additifs identiques à ceux cités précédemment
3 à 20 % d’un agent épaississant ou gélifiant qui à pour rôle de donner la consistance au lubrifiant (semi fluide, fluide, mou ou dur) et d’emprisonner l’huile de base et les additifs pour qu’ils ne s’écoulent pas.
Les graisses se distinguent par leur adhérence aux surfaces à lubrifier, leur insolubilité à l’eau, leur résistance au cisaillement et leur durée de vie. En règle générale une graisse ne peut dépasser plus de 300°C (température à laquelle l’huile de base se sépare de l’épaississant). Au delà, on parle plutôt de pâtes ou vernis à base d’aluminium ou de cuivre.
Outre son rôle de lubrifiant (réduction de l’usure mécanique et des pertes d’énergie dues aux frottements), la graisse crée une barrière d’étanchéité vis-à-vis des éléments extérieurs (poussières, eau, solvants, chaleur, etc.).
Les graisses silicones : les silicones sont des polymères à base de composés organiques du silicium, remarquables pour leur stabilité thermique, leur grande inertie chimique et leur caractère d’isolant électrique. Les silicones sont très résistantes vis-à-vis de la chaleur, de l’oxydation et des rayons ultraviolets. Les silicones peuvent se présenter sous forme d’huiles, d’élastomères ou de résines.
Les graisses alimentaires : ces graisses sont spécialement conçues pour un contact fortuit avec les aliments. Les lubrifiants, additifs et gélifiants qu’elles contiennent doivent être conformes aux prescriptions du CNERNA (Centre National d’Étude et de Recherche sur la Nutrition et l’Alimentation) ; seul organisme reconnu à ce jour en Europe pour le référencement des matières premières utilisables en contact fortuit avec les aliments.
LES LUBRIFIANTS SOLIDES
Le graphite et le bisulfure de molybdène constituent les deux lubrifiants solides utilisés dans les conditions extrêmes (vide poussé, températures trop hautes ou trop basses). Le graphite peut être utilisé jusqu’à 400°C en présence d’air et jusqu’à 1900°C en atmosphère inerte. Le bisulfure de molybdène peut être utilisé jusqu’à 450°C, au-delà il devient abrasif. Aux basses températures on utilise les Téflons, nylons et divers polyamides.
LES HUILES DE COUPE
Pour de nombreuses opérations de coupe, des liquides sont utilisés pour refroidir et lubrifier. Le refroidissement accroît la longévité des outils et facilite l’obtention de cotes conformes sur les pièces finies. La lubrification réduit les frottements, ce qui diminue la chaleur dégagée et la puissance nécessaire pour une coupe donnée. Ces huiles de coupe sont des solutions aqueuses, des huiles chimiquement inactives ou des liquides de synthèse.
