Butées et paliers hydrostatiques

En lubrification par film complet, il est d’usage d’attribuer le qualificatif hydrostatique à tous les systèmes pour lesquels la charge est transmise à travers un film lubrifiant où la pression est maintenue par l’intermédiaire d’une pompe. Lorsque les surfaces en regard sont en mouvement mais que la géométrie du contact ou les vitesses ne permettent pas de fonctionner sans l’existence d’un générateur extérieur de pression, le mécanisme est dit hybride (superposition d’un effet hydrostatique et d’un effet hydrodynamique). En pratique, le terme hybride est très peu utilisé, et on désigne indifféremment par palier (ou butée) hydrostatique un mécanisme dont les surfaces sont immobiles ou en mouvement. Il ne faut toutefois pas en conclure que ses performances (portance, débit, etc.) sont indépendantes de la vitesse : nous verrons que celle-ci joue parfois un rôle déterminant.

Bien que le fluide lubrifiant puisse être un gaz ou un liquide, nous nous limiterons dans cette présentation au cas des liquides newtoniens. Pour les gaz, on se reportera à l’article Butées et paliers aérodynamiques dans ce traité.

Par rapport aux autres types de support, la différence essentielle est qu’il n’y a jamais de contact entre les deux surfaces puisqu’une pompe extérieure permet l’introduction de liquide sous pression à l’intérieur de la zone de contact et assure donc l’existence permanente d’un film lubrifiant même à vitesse nulle. Cela entraîne les avantages suivants :

• l’absence d’usure ;

• un coefficient de frottement très faible ;

• pas de frottement saccadé (stick-slip) ;

• une très grande raideur, permettant de conserver un positionnement précis malgré des fluctuations de charge importantes ;

• l’inexistence de concentrations de contraintes car, la pression étant sensiblement constante dans l’alvéole, la charge est supportée par une grande surface ;

• les défauts de forme des surfaces en présence ayant moins d’importance qu’en régime hydrodynamique, car la pression dans l’alvéole est fonction du débit global, c’est-à-dire de la distribution d’épaisseur de film et non pas de l’épaisseur en un point ;

• des problèmes thermiques au sein du film lubrifiant très souvent secondaires, car on est en présence d’un écoulement forcé à débit important ; ainsi, l’hypothèse d’un régime d’écoulement isotherme est justifiée.

Les inconvénients majeurs des dispositifs hydrostatiques sont leur coût, car ils nécessitent une pompe, des filtres, des régulateurs de pression, etc., et leur fiabilité, car le moindre incident dans le système d’alimentation peut entraîner la destruction des surfaces.

Du fait de l’environnement important que nécessite un dispositif hydrostatique, du coût de sa réalisation et de l’absence de standardisation, on a recours à un système hydrostatique lorsqu’un roulement ou un palier hydrodynamique ne permet pas un fonctionnement correct. Les avantages énumérés précédemment montrent que le domaine d’utilisation des butées et paliers hydrostatiques est très vaste. Citons quelques applications particulières :

• les télescopes et grandes antennes radars, qui doivent se déplacer très lentement et de façon régulière ;

• les cylindres pour broyeurs de minerai, dans lesquels les températures ambiantes sont très élevées ;

• les machines-outils de précision et les machines de contrôle, où une grande précision de centrage et une grande rigidité sont nécessaires ;

• les turbopompes, utilisées pour véhiculer des fluides cryogéniques à très basse température et animées de grandes vitesses de rotation ;

• les dispositifs de mesure sur machines d’essai, qui nécessitent d’isoler des éléments afin de mesurer précisément les efforts.

Un grand nombre d’études ont été consacrées à la lubrification hydrostatique ; la plupart d’entre elles traitent de problèmes spécifiques et ont été publiées dans des revues spécialisées ; nous ne donnerons en référence que les ouvrages à caractère général. Au cours des années 1980 à 1990, les publications ont été principalement axées sur le fonctionnement en régime non laminaire, avec comme principale application les turbopompes utilisées dans le domaine spatial. Il faut également noter une série d’articles liés aux dispositifs de régulation afin de contrôler les raideurs et les amortissements en fonction des fluctuations de charge par exemple.

Les équations de base utilisées en lubrification hydrostatique laminaire étant identiques à celles utilisées en lubrification hydrodynamique, nous renvoyons le lecteur à l’article Butées et paliers hydrodynamiques de ce traité. Rappelons simplement que ces équations sont bien évidement déduites des équations de la mécanique des milieux continus et valables lorsque l’épaisseur du film lubrifiant est très petite par rapport à son étendue.

Tout au long de cet article, nous supposerons le régime d’écoulement isotherme et les forces d’inertie négligeables.