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Lubrification des engrenages ouverts

Les engrenages ouverts, donc démunis d'un carter susceptibles de contenir un lubrifiant et d'assurer une protection contre les effets du milieu extérieur, ont été utilisés depuis des temps très anciens et en particulier depuis la révolution industrielle. On a pu les trouver et on en trouve encore dans les moulins à eau ou à vent, les fours à céramique, les séchoirs, les machines de dragage, les pelles mécaniques, les ponts levants, les chemins de fer à crémaillère, etc.

Les deux types d'engrenages ouverts

On distingue deux types d'engrenages ouverts : ceux qui comportent une crémaillère et ceux qui ne comportent que des roues dentées.

Engrenages à crémaillère

Ils comportent en fait un pignon et une crémaillère, on les trouve dans des applications telles que des systèmes élévateurs, des commandes par va-et-vient, des systèmes de réglage, des crics, des pelles mécaniques pour les mines, des dragues, des excavateurs, des trains à crémaillère, des ponts levants, etc. Le mouvement peut être bi-directionnel, la crémaillère supportant alors des efforts dans les deux sens, ou mono-directionnel, les efforts étant toujours appliqués dans le même sens. Dans la plupart des cas les dentures sont droites et les conditions de contact font que la lubrification est de type onctueux ou limite. On peut rattacher à ce type d'engrenage certains mécanismes comportant un pignon et un secteur denté, en raison de leur fonctionnement alternatif.

Le rôle du lubrifiant est de réduire les frottements entre les dents en contact et de créer une sorte de coussin amortissant les chocs. Si la quantité de débris d'usure et d'impuretés diverses n'est pas trop grande, la présence d'un lubrifiant permet d'allonger de façon significative la durée de vie de ces engrenages.

Engrenages ne comportant que des roues

Les éléments en contact consistent en une ou plusieurs séries de pignons et de roues utilisés pour transmettre des efforts dans le cadre de mouvements presque toujours continus. On trouve des mécanismes de ce type fonctionnant à l'air libre dans des fours à céramique, des meules à main, des fours rotatifs de cimenteries, des sécheurs, des machines à calandrer le caoutchouc, des laminoirs, des appareils de débarquement, des machines de papeterie, etc.

Ces engrenages comportent fréquemment des dentures hélicoïdales simples ou à chevrons. Ils sont souvent soumis à l'action de produits abrasifs et à leurs propres débris d'usure.

Propriétés requises pour les lubrifiants destinés aux engrenages ouverts

La lubrification des engrenages ouverts est une des plus difficiles qui soit. La plupart du temps ces engrenages fonctionnent à faible ou très faible vitesse et sous des charges très fortes, ce qui ne facilite évidemment pas la formation d'épilames protectrices. Les propriétés mécaniques indispensables sont les suivantes :

• aptitude à l'adhérence sur les surfaces des dentures,
• résistance à l'eau, à la fois au ruissellement et à la pulvérisation,
• résistance des films aux efforts de contact de façon à diminuer le frottement et à réduire l'usure,
• protection des surfaces contre la corrosion,
• possibilité de former des coussins amortissant les chocs et les vibrations,
• facilité de mise en œuvre,

En ce qui concerne l'allègement des coûts de maintenance,

• résistance à l'éjection sous l'effet des mouvements,
• pas d'accumulation dans les creux des dentures,
• facilité d'élimination et de renouvellement.

Catégories de lubrifiants recommandés

Des spécifications et des standards sont préconisés par l'American Gear Manufacturers Association (AGMA) et par d'autres organismes professionnels, comme ceux de l'industrie minière. Selon les sources, la viscosité minimale à 100 °C varie de 150 à 1.700 cSt, la valeur la plus courante se situant à 857 cSt (on rappelle que 1 cSt = 1 mm²/s. Les différentes sortes de lubrifiants sont les suivantes :

• produits asphaltiques,
• graisses semifluides,
• graisses épaissies par des gels et des polymères,
• lubrifiants synthétiques à haute viscosité.

Lubrifiants asphaltiques

Ces produits sont connus depuis longtemps comme des résidus de distillation ou des « huiles noires », on les considère généralement comme fiables. Ils sont formés d'huiles minérales de haute viscosité riches en asphaltes et en bitumes et d'un diluant volatil qui en facilite l'application ; leur viscosité atteint couramment 643 cSt ou plus à 100 °C.

Ces lubrifiants agissent grâce à un film qui sépare les surfaces de contact des dentures, ils sont généralement appliqués au moyen de pulvérisateurs automatiques. Après qu'ils ont été déposés sur les dentures, le solvant s'évapore, laissant en place une pellicule visqueuse. Autrefois, les solvants étaient des produits chlorés du type 1,1,1-trichloréthane, perchloréthane, perchloréthylène and trichloréthylène que l'on appréciait pour leur caractère ininflammable. Malgré leurs excellentes performances, ces produits sont aujourd'hui interdits en raison de leur action sur la couche d'ozone et de leur caractère cancérigène. Ils ont été remplacés par des solvants à base d'hydrocarbures ou d'hydrocarbures fluorés mais les premiers sont facilement inflammables et les seconds plus ou moins toxiques. On diminue les risques en utilisant des solvants qui s'évaporent lentement.

Les films lubrifiants séparent complètement les pièces et leur haute viscosité les fait adhérer très fortement aux surfaces qu'ils recouvrent. Ils conviennent bien lorsque les vitesses et les températures sont stables. En revanche, si la température s'élève, ils deviennent moins visqueux et moins adhérents, ce qui peut créer des problèmes de fonctionnement ou même de grippage, tandis que la consommation s'élève ; ils peuvent aussi s'oxyder et durcir, en formant des dépôts dans les creux des dentures. Si la température devient très basse, ils ont fortement tendance à figer, au point de se craqueler ou même de peler, laissant les surfaces sans protection et, comme précédemment, ils forment facilement des dépôts à la base des dents.

A cause de leur caractère poisseux, les lubrifiants asphaltiques ont aussi la fâcheuse propriété de retenir les poussières et toutes sortes de polluants qui peuvent avoir une action abrasive au cours du fonctionnement des dentures.

Graisses semi-fluides avec ou sans solvants

Ces lubrifiants ont été introduits en Europe où on les utilise largement pour les équipements industriels depuis plus de 50 ans. On les applique en faibles quantités sur les dentures juste avant qu'elles viennent en contact. Ils sont constitués d'une huile minérale de base très visqueuse qui peut contenir des asphaltes ou des bitumes. Divers épaississants sont couramment ajoutés, par exemple des huiles synthétiques, des agents gélifiants, des complexes d'aluminium ou de lithium, des lubrifiants solides comme le graphite ou le bisulfure de molybdène, des inhibiteurs de rouille et des additifs extrême pression. Les produits comportant un solvant volatil peuvent être appliqués par pulvérisation et on les recommande aussi pour les très basses températures.

Ces produits pâteux, particulièrement ceux qui contiennent des lubrifiants solides ou des additifs extrême pression capables de s'opposer efficacement à toute tendance au grippage, sont destinés aux engrenages soumis à des conditions de fonctionnement sévères dans des milieux modérément pollués et chargés en poussières abrasives. Leurs formules peuvent correspondre à des produits thixotropiques ou au contraire dilatants et leur utilisation s'accompagne des phénomènes suivants :

• diminution du ruissellement ou de l'écoulement en raison de la bonne adhésion, même sur les surfaces verticales,
• la lubrification est simplifiée par la réduction du nombre de produits différents et les risques d'erreurs dans le choix des produits sont fortement diminués,
• le nettoyage des surfaces lubrifiées en vue de leur examen et de leur réparation est facile,
• la consommation est multipliée en moyenne par deux ou trois par rapport aux autres types de lubrifiants lorsque l'huile de base se sépare des produits épaississants à la suite de conditions de charge trop sévères ou de températures trop élevées.

Lubrifiants semi-fluides épaissis par des gels ou des polymères

Ces lubrifiants ont été mis sur le marché dans les années 1980, ils sont comparables aux précédents dans la mesure où ils sont constitués d'une huile de basem qui peut être minérale ou de synthèsem à laquelle on ajoute des épaississants à base de polymères, des agents extrême pression et des lubrifiants solides. Ils sont tous thixotropiques par nature, ce qui permet à la fois de réduire les frottements et de les introduire par pulvérisation intermittente, par projection ou par barbotage. Une fois appliqués sur les surfaces, ils les recouvrent d'une pellicule épaisse et tenace qui continue à protéger les dentures, même quand celles-ci sont soumises à des chocs sévères. Ils n'ont par ailleurs aucune tendance à s'accumuler dans les creux des dentures et leur stabilité à long terme est excellente, car l'huile de base ne peut pas se séparer des gels épaississants.

Les lubrifiants épaissis par des gels ou des polymères permettent de réduire l'entretien des systèmes de pulvérisation et d'améliorer leur fiabilité. En effet, ils se pompent facilement et les installations de graissage subissent moins de contraintes qu'avec d'autres produits. Il est peu fréquent qu'une buse de pulvérisation se bouche parce que le lubrifiant a séché, alors que cet incident est fréquent avec les lubrifiants asphaltiques ou ceux qui contiennent des solvants volatils. La consommation de lubrifiant est abaissée, ce qui n'empêche pas une forte réduction des échauffements due à des frottements plus faibles.

On obtient par ailleurs avec ces produits un véritable nettoyage permanent des surfaces de frottement et ils ont beaucoup moins tendance que d'autres à fixer les poussières et les produits contaminants, ce qui diminue l'usure et facilite la maintenance.

Huiles synthétiques à haute viscosité

Elles ont été introduites dans les années 1990 et contiennent essentiellement des bases synthétiques telles que les polyalphaoléfines (PAO) ou des polyols esters, utilisées seules ou en mélange. On y trouve aussi des additifs extrême pression, des agents protecteurs contre la rouille ou la corrosion et parfois des lubrifiants solides dispersés sous forme colloïdale, comme le bisulfure de molybdène, ou des produits polymérisant à chaud de manière réversible pour améliorer l'index de viscosité (ces derniers ont été longtemps considérés comme impropres à la lubrification des engrenages en raison de leur tendance à se cisailler lorsque les conditions de charge deviennent trop sévères, ce qui équivaut à une baisse de viscosité).

Les bases synthétiques utilisées permettent d'obtenir des frottements très faibles dans les zones de contact des dentures et donc d'améliorer le rendement des transmissions tout en limitant l'échauffement dans des proportions très importantes. On applique ces huiles de la même manière que les lubrifiants asphaltiques mais leur très haute viscosité oblige souvent à augmenter les pressions d'alimentation des pulvérisateurs pour qu'elles puissent atteindre les zones à traiter.

Ces lubrifiants s'imposent lorsque les températures sont élevées, en raison de leur stabilité thermique et de leur résistance à l'oxydation. En revanche, ils figent facilement et pour des applications à basse température il faut munir les circuits d'alimentation de réchauffeurs afin de pouvoir obtenir une pulvérisation satisfaisante.

Le coût élevé de ces huiles est compensé par une réduction de la consommation globale de produit, une réduction importante des frottements et donc une amélioration du rendement des machines, ainsi que par une durée de vie accrue des lubrifiants.