Butées et paliers hydrodynamiques

Abstract

Les paliers sont des organes de machines utilises pour guider les arbres en rotation . Deux grandes familles de paliers existent : les paliers lisses et les paliers a roulements. Dans les premiers, l’arbre prend appui sur un coussinet et est separe de celui-ci par un film lubrifiant ; dans les seconds, des corps roulants (billes ou rouleaux) separent la bague en rotation de l’alesage exterieur. Selon la direction de la charge par rapport a l’arbre en rotation, on distingue les paliers porteurs pour lesquels la charge est radiale, generalement appeles paliers , des paliers de butee ou butees pour lesquels la charge est axiale. Nous ne parlerons que des paliers fluides et plus particulierement des paliers et des butees hydrodynamiques dans lesquels un film mince de fluide separe les surfaces en mouvement relatif . Le comportement, la duree de vie et la tenue des paliers hydrodynamiques dependent de nombreux parametres, parmi lesquels les parametres geometriques (dimensions et formes du palier), cinematiques et dynamiques (vitesse de rotation et charge appliquee), les caracteristiques du lubrifiant (essentiellement sa viscosite et dans certains cas sa masse volumique) et la nature des materiaux formant le palier. Ainsi la determination des paliers hydrodynamiques ne depend pas seulement de la theorie de la lubrification mais aussi d’un ensemble de conditions liees a l’environnement des mecanismes. Il est cependant possible de presenter succinctement leurs principales caracteristiques de fonctionnement. Tout d’abord, l’epaisseur minimale du film lubrifiant doit toujours etre nettement superieure a la somme des hauteurs des rugosites des surfaces , sinon l’usure rapide du coussinet sera due soit a l’abrasion, soit plus rapidement encore au grippage des surfaces. Cette epaisseur minimale depend bien sur de l’aspect dynamique du systeme et en particulier des vibrations de l’arbre en rotation . Le palier hydrodynamique pouvant etre lui-meme source de vibrations, les aspects dynamiques devront etre examines en detail. Ils sont analyses de facon tres differente selon qu’il s’agit des paliers de ligne d’arbre (charges relativement constantes) ou des paliers de moteurs ou de compresseurs alternatifs (charges de module et direction variant beaucoup avec le temps). Par ailleurs, sous l’effet de ces charges dynamiques, des phenomenes de cavitation dans le film lubrifiant du palier peuvent conduire a la destruction du coussinet par fatigue. Enfin, la puissance dissipee par cisaillement dans le fluide lubrifiant du palier entraine une elevation de la temperature du mecanisme. Cette augmentation de temperature peut etre responsable de la fusion ou du fluage du regule, materiau mou a bas point de fusion, qui recouvre generalement la surface du coussinet. La temperature maximale du palier peut etre evaluee de facon approchee a l’aide d’un bilan thermique global du palier ; elle peut aussi etre calculee avec une excellente precision en effectuant une analyse fine du probleme thermoelastohydrodynamique de l’ensemble du palier. Comme la plus grande partie de la chaleur est evacuee par le fluide, la connaissance du debit de lubrifiant necessaire au bon fonctionnement du palier est importante. Dans la plupart des paliers et des butees hydrodynamiques, l’ecoulement du fluide dans le film lubrifiant s’effectue en regime laminaire ; cependant l’emploi de fluides de tres faible viscosite, de l’eau par exemple, ou la necessite d’utiliser des paliers de grandes dimensions fonctionnant a vitesses elevees entrainent des changements de regime dans le fluide dont l’ecoulement peut devenir turbulent. Le calcul des caracteristiques du palier s’effectue alors en tenant compte des changements de regime dans le fluide. Cet article presente, dans un premier paragraphe  1 , les equations de base en lubrification hydrodynamique et quelques exemples simples de calcul de portance. Le paragraphe  2 porte sur les butees hydrodynamiques de forme fixe et a patins oscillants. Les paragraphes  3 et 4 traitent le cas des paliers lisses, des paliers non cylindriques et des paliers a patins oscillants ; les caracteristiques statiques puis dynamiques lineaires sont presentees ainsi que le comportement non lineaire de ces mecanismes. Le paragraphe  5 aborde les aspects thermiques, tout d’abord dans le cas simple d’un bilan thermique global, puis dans le cas general. Enfin le dernier paragraphe  6 decrit les effets non laminaires et l’influence des forces d’inertie en lubrification hydrodynamique.