Lubrification à la graisse – Roulements

La graisse est le lubrifiant le plus largement utilisé pour les roulements. Une graisse lubrifiante est définie comme une dispersion entre semi-liquide et solide d’un agent épaississant dans un liquide (huile de base). Elle consiste en un mélange d’huile minérale ou synthétique dont la proportion peut atteindre 90% avec un agent épaississant. Dans 90% des graisses, l’agent épaississant est un savon métallique formé par la réaction d’un hydroxyde métallique avec un acide gras. A titre d’exemple, on peut citer le stéarate de lithium, appelé aussi savon de lithium. En faisant varier l’huile, la savon et les additifs, il est possible de produire différentes graisses pour une grande variété d’applications.

Propriétés

Il est nécessaire d’utiliser une graisse ayant des propriétés telles que l’on obtienne une lubrification satisfaisante dans les conditions spécifiques de fonctionnement considérées.

Consistance
La consistance, qui est le degré de fermeté d’une graisse, dépend du type et de la quantité d’épaississant utilisée. Les graisses sont classées selon l’échelle NLGI (National Lubricating Grease Institute) qui est basée sur la pénétration d’un cône normalisé dans le lubrifiant pendant 5 secondes, la pénétration étant exprimée en dixièmes de millimètre. On obtient ainsi un indice correspondant à la pénétration travaillée. Plus la graisse est molle, plus la consistance NLGI est faible. Pour les roulements, on recommande généralement des graisses de consistance 2 et parfois 3. Les graisses NLGI 1 et O se rencontrent dans les applications où les températures de fonctionnement sont très basses ou si l’on utilise des systèmes automatiques de lubrification.

Plage de température
Il est important de choisir une graisse qui soit adaptée à la température réelle de fonctionnement.

Types de graisses et additifs

Les graisses lubrifiantes les plus usuelles utilisent comme épaississants des savons de calcium (Ca), sodium (Na) ou lithium (Li). Les graisses au lithium sont particulièrement adaptées à la lubrification des roulements.

Graisses à savons complexes
Le terme est utilisé pour les graisses contenant en plus du savon métallique, un sel en général du même métal. On peut citer comme exemples les graisses complexes au lithium, sodium, baryum et aluminium. Les graisses à savons complexes admettent des températures de fonctionnement plus élevées que les graisses conventionnelles correspondantes.

Graisses à savon de calcium (Ca)
Les graisses à savon de calcium ont une structure lisse, butyreuse et possèdent une bonne stabilité mécanique. Elles sont insolubles dans l’eau et ne doivent pas être utilisées à des températures supérieures à 60°C. Les graisses à la chaux sont recommandées pour des applications exposées à l’eau jusqu’à des températures de 60°C, par exemple dans la partie humide des machines à papier. Certaines graisses à savon de calcium donnent aussi une bonne protection contre l’eau salée et sont donc utilisées en milieu marin. Les graisses à savon de calcium stabilisées par d’autres produits que l’eau sont utilisables jusqu’à 120°C. on peut citer par exemple les graisses complexes à la chaux.

Graisses à savon de sodium (Na)
Les graisses à savon de sodium ou graisses à la soude, sont utilisables dans une plage de températures plus large que les graisses normales à la chaux. Leurs propriétés d’adhérence et d’étanchéité sont bonnes . Elles protègent contre la rouille car elles absorbent l’eau mais le pouvoir lubrifiant diminue alors considérablement. Si une quantité d’eau trop importante pénètre dans le roulement, elle peut emporter la graisse. Il n’est donc pas conseillé de les utiliser dans les applications « humides ». On dispose maintenant de graisses synthétiques haute température qui résistent jusqu’à 120°C.

Graisses à savon de lithium (Li)
La structure de ces graisses est semblable à celle des graisses à la chaux. Elles possèdent un grand nombre des avantages des graisses à la chaux et à la soude mais ne présentent aucun de leurs inconvénients. La capacité d’adhérence aux surfaces métalliques est bonne. La stabilité aux températures élevées est excellente ; la plupart des graisses à savon de lithium peuvent être utilisées dans une plage de températures très large. Les graisses au lithium ne se dissolvent pratiquement pas dans l’eau. On peut les utiliser dans les applications humides, par exemple, lorsque la température est trop élevée pour des graisses à la chaux.

Graisses synthétiques
Ce groupe comprend les graisses fabriquées à partir d’huiles de synthèse, telles que les polyalphaoléfines (PAO), esters et silicones qui ne s’oxydent pas aussi rapidement que les huiles minérales. Les graisses synthétiques ont donc, en général, un domaine d’application plus vaste que les autres graisses. Différents épaississants sont utilisés, notamment savon de lithium bentonite et PTFE. Les graisses synthétiques sont produites pour des applications spéciales diverses selon spécifications militaires et pour des applications relatives par exemple aux instruments de bord et commandes de vol dans les avions, aux robots et aux satellites. Ces graisses ont souvent une faible résistance de frottement aux basses températures jusqu’à 70°C.

Additifs

Différents additifs sont incorporés aux graisses lubrifiantes pour obtenir des produits ayant des propriétés supplémentaires. Parmi les plus courants, on peut citer les inhibiteurs de corrosion, améliorant la protection offerte par la graisse. Ces additifs sont utiles pour les roulements fonctionnant dans un environnement humide. Ils protègent aussi les roulements pendant le transport et lors du stockage. Les antioxydants retardent la destruction de lubrification et ce qui réduit les coûts. Les additifs EP (extrême pression) comprennent des composés sulfurés, chlorés ou phosphorés. Les lubrifiants solides, comme le bisulfure de molybdène et le graphite.

Propriétés antirouille
La graisse utilisée dans un roulement doit toujours protéger contre la rouille. L’agent antirouille doit de préférence être insoluble dans l’eau. La graisse doit avoir un pouvoir adhérent tel que les surfaces métalliques seraient toujours recouvertes d’un film même si la graisse est saturée d’eau.

Stabilitémécanique
Certaines graisses ont tendance à s’amollir en service sous l’effet du pétrissage, ce qui peut causer des fuites. Dans les montages vibrants, la graisse est projetée dans le roulement par les vibrations du palier. Si elle n’a pas une bonne stabilité mécanique, elle sera malaxée dans le roulement et éjectée de celui-ci dans un processus de circulation continu. Ceci entraine une rupture mécanique de la matrice du savon et détruit la graisse. Il est important de choisir une graisse ayant une bonne stabilité mécanique.

Joints d’étanchéité
Un dispositif d’étanchéité doit protéger de l’environnement extérieur le roulement et le lubrifiant. Ni les impuretés, ni l’humidité ne doivent pénétrer dans le roulement et le détériorer. Les joints doivent aussi éviter les fuites de graisse. L’efficacité d’un joint est critique pour la durée de service d’un roulement. Choisir le dispositif d’étanchéité approprié est très important. Ne jamais continuer à utiliser un roulement avec un joint endommagé ou dont l’état semble douteux.

Miscibilité

Ne jamais mélanger des graisses incompatibles. Sinon le lubrifiant obtenu aura généralement une constance plus molle, qui peut conduire à un écoulement et à la défaillance du roulement. Si l’on ne sait pas quel type de graisse a été utilisé à l’origine pour lubrifier un roulement, il ne faut pas relubrifier avant d’avoir éliminé toute ancienne graisse à la fois dans le roulement et autour.

Classification des graisses lubrifiantes

Les graisses lubrifiantes peuvent être groupées en fonction de leur aptitude aux différentes conditions de fonctionnement. La consistance et le pouvoir lubrifiant d’une graisse sont influencés par la température de fonctionnement. Un roulement qui travaille à une certaine température doit être lubrifié avec une graisse ayant une consistance et un pouvoir lubrifiant appropriés à cette même température. On fabrique donc des graisses de différentes compositions pour différentes plages de températures de fonctionnement. On distingue des graisses basse température (LT), moyenne température (MT) et haute température (HT). Il existe aussi d’autres groupes de graisses, classées EP (extrême pression) ou EM (extrême pression avec du bisulfure de molybdène) qui contiennent des additifs destinés à accroître la résistance du film lubrifiant.

Graisses moyenne température (MT)
Ces graisses polyvalentes sont recommandées pour les roulements fonctionnant à des températures de -30 à +120°C. Elles peuvent être utilisées dans la plupart des applications lubrifiées à la graisse. La viscosité de l’huile de base devrait se situer entre 75 et 200 mm²/s à 40°C. La consistance NLGI est en général 2 (ou 3). Pour les applications où la température est supérieure à 80°C de façon continue, il est recommandé d’utiliser une graisse haute température.

Graisses EM
Les graisses dites EM contiennent du bisulfure de molybdène(MoS2) qui produit sur la surface métallique une couche de cristaux de MoS2. Ceux-ci glissent les uns sur les autres et donnent une lubrification temporaire. En remplacement, on utilise parfois du graphite ou un lubrifiant sec similaire.

Graisses EP
Les graisses EP renferment des composés soufrés, chlorés ou phosphorés qui renforcent la robustesse du film, c’est-à-dire sa capacité de charge. C’est un élément important dans les graisses destinées à des roulements de moyennes et de grandes dimensions fortement sollicités. Lorsqu’une température suffisamment élevée est atteinte dans les contacts entre les crêtes des surfaces métalliques normales des roulements, il se produit en ces points une réaction chimique qui empêche le grippage. La viscosité de l’huile de base est d’environ 200 mm²/s à 40°C. La consistance NLGI est de 2. En général, ces graisses ne doivent pas être utilisées à des températures inférieurs à -30°C ni supérieures à +110°C.

Attention

Certains additifs EP ont un effet défavorable sur les roulements et peuvent entraîner une réduction dramatique de la durée. Il faut vérifier avec le fournisseur. Pour les applications où la température est constamment supérieure à 80°C, il est recommandé d’utiliser une graisse haute température.

Choix d’une graisse

Toutes les précautions prises pour éviter les avaries de roulement peuvent être de peu d’utilité si l’on choisit une graisse qui n’est pas adaptée. Il est important que la viscosité de l’huile de base permette d’assurer une lubrification suffisante à la température de fonctionnement. La viscosité dépend, pour une grande part, de la température. Elle décroît lorsque la température s’élève. Il est donc important de connaître la viscosité de l’huile de base à la température de fonctionnement. Les constructeurs de machines spécifient généralement un type particulier de graisse et la plupart des graisses standards couvrent une large gamme d’applications.
Voici les facteurs, les plus importants à considérer lors du choix d’un graisse lubrifiante : type de machine, type et dimensions de roulement, température de fonctionnement, conditions de charge en service, plage de vitesses, conditions de fonctionnement telles que les vibration et disposition horizontale ou verticale de l’arbre, conditions de refroidissement, efficacité de l’étanchéité, environnement extérieur.
La plupart des utilisateurs de roulements choisissent une famille de graisses pouvant s’adapter à presque n’importe laquelle des applications ou conditions qu’ils sont susceptibles de rencontrer. On a développé six graisses qui sont conçues pour fonctionner efficacement dans 95% des applications de roulements.
-La graisse LGHT doit être utilisée lorsque la température dépasse 80°C .
-La graisse LGLT lorsque la température est inférieure à 0°C.
-Pour les roulements soumis à de très fortes charges et les roulements fonctionnant à très faible vitesse, la graisse LGEM 2 est utilisable.
-Des charges moyennes incitent à choisir la LGEP 2.
-Les roulements de petites et moyennes dimensions peuvent être lubrifiés avec LGMT 2, les grands roulements avec LGMT 3.
Le tableau ci-dessous, vous donne le choix des différentes graisses.

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Intervalles de lubrification
La durée de vie que l’on peut attendre d’une graisse dépend de plusieurs facteurs, tels que le type de graisse, la vitesse et la température de fonctionnement du roulement. L’environnement et le dispositif d’étanchéité jouent aussi un rôle. Pour les petits roulements à billes, la durée de service est souvent si longue qu’une relubrification n’est pas nécessaire. Les roulements « lubrifiés à vie » munis de flasques ou de joints conviennent dans de telles situations.

Un roulement rigide à billes avec diamètre d’alésage d = 100 mm tourne à 1000 tr/min. La température de fonctionnement varie entre 60 et 70°C. Quel intervalle de lubrification faut-il prévoir? La verticale partant de la valeur 1000 sur l’axe des x coupe la courbe d = 100 mm. Au point d’intersection, on trace vers la gauche une droite horizontale, parallèle à l’axe des x qui coupe l’axe des y et détermine sur l’échelle « a ».

GRAISSES ROULEMENTS LGMT 1 LGMT 2 LGEP 2 LGLT 2 LGHQ 3 LGFP 2 LGWA 2
Légende:
+ à conseiller
0 admis
– non admis
> 120°C Haute température + +
Basse température +
Vitesse très haute O O O + O O
Vitesse trés basse mouvements oscillants O
Basse torsion et basse frottement + O + O O O
Vibrations élevées + O O O
Chargement élevé O O + O O +
Propriétés antirouille O O + O O + +
Résistance humidité O O + + O + +
Description Toutes industries et industries automobiles Toutes industries et industries automobiles Pressions extrêmes Basses températures Hautes températures Industrie alimentaire Grande
plage de
température
Plage de température -30/+120°C -30/+120°C -20/+110°C -55/+110°C -20/+150°C -20/+110°C -30/+140°C
Épaississant/l’huile de base Savon de lithium/l’huile minérale Savon de lithium/l’huile minérale Savon de lithium/l’huile minérale Savon de lithium/l’huile di-ester Savon complexe au lithium/l’huile minérale Complexe à l’aluminium/l’huile blanche médicale Complexe au lithium/l’huile minérale
Viscosité de l’huile de base 110 120-130 200 15 110 130 185
Légende:
+ à conseiller
0 admis
– non admis
LGLC 2 LGMB 2 LGHB 2 LGEM 2 LGEV 2 LGWM 1
> 120°C Haute température +
Basse température + +
Vitesse très haute + O
Vitesse trés basse mouvements oscillants + + + + O
Basse torsion et basse frottement + O
Vibrations élevées + O + +
Chargement élevé O + + + + +
Propriétés antirouille + + + O + +
Résistance humidité + + + O + +
Description Températures basses
Hautes vitesses
Viscosité élevée EP Viscosité élevée EP et hautes températures Viscosité élevée avec graisse solide Viscosité très élevée avec graisse solide Pressions élevées et température basse
Plage de température -40/+120°C -20/+120°C -20/+150°C -20/+120°C -10/+120°C -30/+110°C
Épaississant/l’huile de base Complexe au calcium ester/l’huile minérale Savon de lithium et calcium/l’huile minérale Complexe au calcium et sulfate/l’huile minérale Savon de lithium/l’huile minérale e Savon de lithium et calcium/l’huile minérale Savon de lithium/l’huile minérale
Viscosité de l’huile de base 24 780 400-450 500 1020 200