Butées et paliers hydrodynamiques

Les paliers sont des organes de machines utilisés pour guider les arbres en rotation. Deux grandes familles de paliers existent : les paliers lisses et les paliers à roulements. Dans les premiers, l’arbre prend appui sur un coussinet et est séparé de celui-ci par un film lubrifiant ; dans les seconds, des corps roulants (billes ou rouleaux) séparent la bague en rotation de l’alésage extérieur. Selon la direction de la charge par rapport à l’arbre en rotation, on distingue les paliers porteurs pour lesquels la charge est radiale, généralement appelés paliers, des paliers de butée ou butées pour lesquels la charge est axiale. Nous ne parlerons que des paliers fluides et plus particulièrement des paliers et des butées hydrodynamiques dans lesquels un film mince de fluide sépare les surfaces en mouvement relatif.

Le comportement, la durée de vie et la tenue des paliers hydrodynamiques dépendent de nombreux paramètres, parmi lesquels les paramètres géométriques (dimensions et formes du palier), cinématiques et dynamiques (vitesse de rotation et charge appliquée), les caractéristiques du lubrifiant (essentiellement sa viscosité et dans certains cas sa masse volumique) et la nature des matériaux formant le palier.

Ainsi la détermination des paliers hydrodynamiques ne dépend pas seulement de la théorie de la lubrification mais aussi d’un ensemble de conditions liées à l’environnement des mécanismes. Il est cependant possible de présenter succinctement leurs principales caractéristiques de fonctionnement. Tout d’abord, l’épaisseur minimale du film lubrifiant doit toujours être nettement supérieure à la somme des hauteurs des rugosités des surfaces, sinon l’usure rapide du coussinet sera due soit à l’abrasion, soit plus rapidement encore au grippage des surfaces. Cette épaisseur minimale dépend bien sûr de l’aspect dynamique du système et en particulier des vibrations de l’arbre en rotation. Le palier hydrodynamique pouvant être lui-même source de vibrations, les aspects dynamiques devront être examinés en détail. Ils sont analysés de façon très différente 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 phénomènes de cavitation dans le film lubrifiant du palier peuvent conduire à la destruction du coussinet par fatigue.

Enfin, la puissance dissipée par cisaillement dans le fluide lubrifiant du palier entraîne une élévation de la température du mécanisme. Cette augmentation de température peut être responsable de la fusion ou du fluage du régule, matériau mou à bas point de fusion, qui recouvre généralement la surface du coussinet.

La température maximale du palier peut être évaluée de façon approchée à l’aide d’un bilan thermique global du palier ; elle peut aussi être calculée avec une excellente précision en effectuant une analyse fine du problème thermoélastohydrodynamique de l’ensemble du palier.

Comme la plus grande partie de la chaleur est évacuée par le fluide, la connaissance du débit de lubrifiant nécessaire au bon fonctionnement du palier est importante.

Dans la plupart des paliers et des butées hydrodynamiques, l’écoulement du fluide dans le film lubrifiant s’effectue en régime laminaire ; cependant l’emploi de fluides de très faible viscosité, de l’eau par exemple, ou la nécessité d’utiliser des paliers de grandes dimensions fonctionnant à vitesses élevées entraînent des changements de régime dans le fluide dont l’écoulement peut devenir turbulent. Le calcul des caractéristiques du palier s’effectue alors en tenant compte des changements de régime dans le fluide.

Cet article présente, dans un premier paragraphe 1, les équations de base en lubrification hydrodynamique et quelques exemples simples de calcul de portance. Le paragraphe 2 porte sur les butées hydrodynamiques de forme fixe et à patins oscillants. Les paragraphes 3 et 4 traitent le cas des paliers lisses, des paliers non cylindriques et des paliers à patins oscillants ; les caractéristiques statiques puis dynamiques linéaires sont présentées ainsi que le comportement non linéaire de ces mécanismes. Le paragraphe 5 aborde les aspects thermiques, tout d’abord dans le cas simple d’un bilan thermique global, puis dans le cas général. Enfin le dernier paragraphe 6 décrit les effets non laminaires et l’influence des forces d’inertie en lubrification hydrodynamique.