Que sont les roulements autolubrifiants ? Types, utilisations et sélection

Que sont les roulements autolubrifiants et comment ils fonctionnent

La caractéristique déterminante d’un roulement autolubrifiant est sa capacité à générer un film lubrifiant continu à partir du matériau du roulement lui-même, sans aucune alimentation externe. Cela se produit via l’un des trois mécanismes principaux :

Les paliers lisses sont-ils autolubrifiants ?

Les paliers lisses (également appelés paliers lisses ou paliers lisses) peuvent être lubrifiés de manière conventionnelle ou autolubrifiants en fonction de leur matériau de construction. La distinction est importante lors de la sélection d’applications sans entretien.

Paliers lisses en bronze fritté sont le type de roulement à manchon autolubrifiant le plus largement utilisé. Les normes ISO 2795 et MPIF 35 définissent les exigences en matière de teneur en huile pour ces composants : une qualité standard contient un minimum de 19% d'huile en volume . On les trouve dans les moteurs électriques, les appareils électroménagers, les équipements de bureau et les entraînements auxiliaires automobiles où l'accès aux roulements est scellé ou difficile.

Paliers lisses en polymère solide fabriqués à partir d'acétal (POM), de nylon (PA6/PA66) ou de PEEK avec des additifs lubrifiants internes sont un autre format de manchon autolubrifiant. Ceux-ci fonctionnent sans aucune huile, ce qui les rend adaptés à la transformation des aliments, aux dispositifs médicaux et aux applications sous-marines où la contamination par l'huile est interdite.

Paliers lisses hydrodynamiques à support en acier - comme ceux utilisés dans les gros vilebrequins et les tourillons de turbine - ne sont pas autolubrifiants. Ils nécessitent une alimentation en huile sous pression à tout moment pour maintenir le coin hydrodynamique qui sépare l'arbre du roulement. Une défaillance de l’alimentation en huile entraîne une défaillance immédiate des roulements dans ces conceptions.

Les roulements en céramique sont-ils autolubrifiants ?

Les roulements en céramique sont fréquemment commercialisés avec l'expression « fonctionne à sec », ce qui crée une confusion quant à savoir s'ils sont réellement autolubrifiants. La réponse précise est : non, les roulements en céramique ne sont pas autolubrifiants , mais leurs propriétés matérielles réduisent considérablement les besoins en lubrification par rapport à l'acier.

Le nitrure de silicium (Si3N4), le matériau céramique pour roulements le plus courant, possède plusieurs propriétés qui réduisent la dépendance aux lubrifiants :

• Dureté superficielle de 1 400 à 1 600 HT contre 700–800 HV pour l'acier à roulements — réduisant l'usure de l'adhésif dans des conditions de lubrification marginales
• Densité de 3,2 g/cm³ contre 7,8 g/cm³ pour l'acier — générant des forces centrifuges plus faibles sur le chemin de roulement à grande vitesse, permettant à des films lubrifiants plus fins de maintenir la séparation
• Faible coefficient de dilatation thermique ( 3,2 × 10⁻⁶/°C ) — réduisant la variation du jeu interne avec les variations de température qui feraient sortir le lubrifiant dans un roulement en acier
• Non magnétique et non conducteur de l'électricité — empêchant la dégradation du lubrifiant par décharge électrostatique qui se produit dans les roulements en acier utilisés dans les applications de variateur de fréquence.

En pratique, les roulements entièrement en céramique peuvent survivre de courtes périodes sans lubrification dans des conditions propres et de faible charge, en particulier à des vitesses très élevées où le temps de contact par tour est extrêmement bref. Mais pour un fonctionnement durable, un lubrifiant – même un film sec minime – est toujours nécessaire pour éviter une fatigue progressive de la surface. Les roulements hybrides en céramique (billes en céramique, bagues en acier) nécessitent presque toujours une lubrification conventionnelle.

Les roulements conventionnels ont-ils besoin d’être lubrifiés ?

Oui, tous les roulements conventionnels (roulements à billes, roulements à rouleaux cylindriques, roulements à rouleaux coniques, roulements à aiguilles) nécessitent une lubrification tout au long de leur durée de vie. Le lubrifiant remplit quatre fonctions qu'aucune géométrie de roulement ne peut à elle seule reproduire :

• Formation du film élastohydrodynamique : Un film sous pression de 0,1 à 1,0 microns sépare les éléments roulants du chemin de roulement sous charge, empêchant ainsi le contact métal sur métal
• Dissipation thermique : L'huile en circulation dans les grands roulements élimine la chaleur générée par le contact de roulement et la traînée de la cage – critique lors d'un fonctionnement au-dessus de 50 % de la charge dynamique nominale du roulement.
• Protection contre la corrosion : La graisse et l'huile chassent l'humidité des surfaces de contact ; sans lubrification, l'acier des roulements se corrode en quelques heures dans des environnements humides
• Exclusion des contaminants : La graisse déposée dans la cavité du roulement crée une barrière physique contre la poussière et les particules abrasives qui autrement provoqueraient une usure des trois corps

Les conséquences d'une lubrification inadéquate sont graves : des études réalisées par SKF et NSK indiquent que plus de 36 % des défaillances prématurées des roulements sont imputables à des problèmes de lubrification, notamment une quantité insuffisante, un mauvais type de lubrifiant, un lubrifiant contaminé ou des intervalles de relubrification incorrects. À titre de comparaison, les défaillances par fatigue sous lubrification correcte ne représentent que 14 % des défaillances sur le terrain.

Comparaison des types de roulements autolubrifiants

La sélection du type de roulement autolubrifiant approprié nécessite d'adapter les conditions de fonctionnement aux capacités spécifiques du matériau. Le tableau ci-dessous résume les principaux paramètres de performance :

Là où les roulements autolubrifiants surpassent les alternatives graissées

Il existe des environnements d'exploitation spécifiques dans lesquels le passage à roulements autolubrifiants offre des avantages mesurables par rapport aux roulements graissés de manière conventionnelle :

• Applications oscillantes et à rotation lente : Les roulements lubrifiés à la graisse soumis à un mouvement d'oscillation lent (moins de 1 tr/min) ne génèrent jamais de film hydrodynamique : ils fonctionnent au mieux avec une lubrification limite. Les roulements à lubrifiant solide gèrent ces conditions avec des coefficients de frottement de 0,05 à 0,15 sans changement du mécanisme d'usure à basse vitesse.
• Environnements lavables et immergés : Les chaînes de transformation des aliments, les équipements de lavage de voiture et le matériel marin soumettent les roulements à la pénétration d'eau qui dilue la graisse. Les roulements en polymère fritté et le bronze connecté au graphite éliminent complètement ce mode de défaillance.
• Zones à haute température : Les graisses conventionnelles se dégradent au-dessus de 180°C ; les graisses synthétiques prolongent cette température jusqu'à environ 260°C. Les roulements en bronze à bouchons en graphite fonctionnent en continu à jusqu'à 400°C dans les roues des chariots de four, les rouleaux de convoyeur et les équipements de four de recuit du verre.
• Environnements sous vide et salle blanche : La graisse dégage des gaz sous vide, contaminant les instruments optiques et les équipements semi-conducteurs. Les roulements à film sec à base de PTFE sont standard dans les mécanismes de satellite et les platines de microscope électronique où la pression de vapeur est inférieure à 10⁻⁸ Pa est requis.
• Réduction des coûts du cycle de vie : Une étude des programmes de remplacement des roulements des usines municipales de traitement des eaux a révélé que le passage des bagues de vannes à vanne du bronze graissé aux roulements imprégnés de graphite réduisait les coûts de main-d'œuvre de maintenance de 62% sur une période de 10 ans en supprimant les cycles de regraissage trimestriels.

Paramètres de sélection clés et erreurs de dimensionnement courantes

La valeur PV — le produit de la pression du roulement (P, en MPa) et de la vitesse de glissement (V, en m/s) — est le principal paramètre de sélection des paliers lisses autolubrifiants. Chaque matériau de roulement a une valeur PV maximale au-dessus de laquelle le film lubrifiant ne peut pas être maintenu et la température de la surface du roulement atteint des niveaux destructeurs.

Trois erreurs de dimensionnement sont responsables de la majorité des défaillances prématurées des roulements autolubrifiants sur le terrain :

• Ignorer la limite PV dans des conditions de charge de pointe : Un roulement évalué à PV = 0,10 MPa·m/s peut être correctement dimensionné pour un fonctionnement normal mais échouer lors du démarrage ou d'une charge de choc si la PV instantanée à ces moments n'est pas vérifiée. Les valeurs PV maximales peuvent être 3 à 5 fois supérieures à la valeur en régime permanent dans les machines à mouvement alternatif.
• Spécification incorrecte de la finition de la surface de l’arbre : Roulements autolubrifiants require a shaft roughness of Ra 0,4 à 0,8 microns pour une formation optimale du film de transfert. Les arbres polis en dessous de Ra 0,2 microns ne fournissent pas suffisamment de texture d'aspérité pour que le PTFE ou le graphite s'ancre, retardant ainsi la formation du film et augmentant l'usure précoce. Les arbres plus rugueux que Ra 1,6 microns abrasent la surface d'appui avant que le film puisse se former.
• Sous-estimation des effets de la dilatation thermique sur le jeu : Les roulements en polymère ont des coefficients de dilatation thermique 5 à 10 fois supérieurs à ceux des boîtiers en acier. Un roulement PEEK avec un jeu diamétral de 0,05 mm à 20 °C peut avoir un jeu nul – ou une interférence – à 150 °C si le rapport diamètre du boîtier/roulement et la combinaison de matériaux ne sont pas correctement calculés au stade de la conception.