Optimiser la lubrification des accouplements pour fiabilité et longévité

Dans un monde idéal, un seul composant engloberait toutes les caractéristiques nécessaires, mais la réalité nous force à assembler plusieurs pièces sur site. Quand ces pièces s'assemblent, l'alignement n'est jamais parfait.

Les accouplements transmettent le couple entre sections d'arbre. Même avec un ajustement méticuleux, un désalignement résiduel demeure, et la flexibilité est essentielle pour protéger les roulements et arbres de l'usure prématurée. Une lubrification appropriée est la clé de la performance et de la durabilité des accouplements.

Figure 1. Types de désalignement

Le désalignement se manifeste comme un décalage ou un déplacement angulaire le long de deux des trois axes principaux (Figure 1). L'axe longitudinal est rarement mesuré, pourtant des erreurs ici peuvent causer des charges de poussée excessives. Les grandes installations, comme les compresseurs haute capacité, emploient l'alignement par fils, tandis que les configurations plus petites utilisent traditionnellement des indicateurs à cadran bord-et-face. Les indicateurs optiques laser sont de plus en plus favorisés pour leur précision et facilité d'utilisation.

Les équipes maintenance haute performance prennent aussi en compte l'expansion thermique. Tous les solides, sauf l'eau, se dilatent avec la température selon leur coefficient d'expansion thermique. Un arbre aligné à température ambiante dérivera quand les températures de fonctionnement monteront. Le préchauffage ou prérefroidissement de l'équipement, ou un désalignement intentionnel à température ambiante, peut atténuer cette dérive, mais un décalage résiduel est inévitable. Ce désalignement force les arbres à fléchir, induisant vibrations et charges inégales sur les roulements, ce qui raccourcit la vie de l'équipement.

Quand les accouplements sont correctement conçus, ils absorbent les forces de désalignement, protégeant les composants chers et sensibles comme les roulements – souvent les éléments les plus délicats d'un train de roulement – du stress excessif.

Figure 2. Accouplements à engrenages

TYPES D'ACCOUPLEMENTS
Les accouplements sont classés en quatre grandes catégories, chacune avec plusieurs designs spécifiques. Les accouplements solides et magnétiques ne requièrent pas de lubrification, mais sont inclus pour exhaustivité. Les accouplements solides sont rigides et ne compensent pas le désalignement ; ils joignent simplement les arbres pour transmettre le couple. Les accouplements magnétiques entraînent des arbres sans contact via aimants permanents ou électroaimants – communs dans les pompes à entraînement magnétique sans joint.

Les accouplements flexibles emploient des éléments flexibles fixes – disques ou bagues en métal, caoutchouc ou plastique – qui tournent avec les arbres et absorbent le désalignement sans lubrification. Les accouplements à engrenages, chaînes, grilles, et cardans, cependant, dépendent de la lubrification pour une performance et longévité optimales. Les accouplements fluides (convertisseurs et multiplicateurs de couple) utilisent un fluide lubrifiant pour transmettre le couple.

Figure 3. Accouplements à chaîne

ACCOUPLEMENTS FLEXIBLES
Les accouplements à engrenages (Figure 2) gèrent le désalignement par le jeu entre les dents d'engrenage. Des dents externes sur les deux arbres s'engrènent avec des dents internes sur un boîtier contenant le lubrifiant. Des variantes montent les dents sur un seul arbre, s'engrenant avec des dents internes sur l'autre. L'accélération ou décélération peut causer des impacts dus au jeu, et le désalignement mène à un mouvement de glissement à chaque révolution.

Les accouplements à chaîne (Figure 3) opèrent sur le même principe. Des pignons sur chaque arbre sont liés par une chaîne à rouleaux ; le jeu dans l'assemblage chaîne-pignon accommode le désalignement. Les patterns de charge reflètent ceux des accouplements à engrenages.

Les accouplements à grille externe (Figure 4) utilisent une grille en acier ondulé qui fléchit sous charge. Des disques rainurés sur chaque arbre logent la grille, transmettant le couple. Un mouvement de glissement se développe entre la grille et les rainures alors que la grille se déforme, s'élargissant et se rétrécissant à chaque révolution.

Les cardans accommodent 20–30° de désalignement, selon le design. Ils sont ubiquitaires dans les arbres de transmission de véhicules, permettant le mouvement des roues avec le débattement de suspension. L'araignée à quatre broches connecte deux arbres se terminant en fourches ou rotules à angle droit ; chaque journal de l'araignée est supporté par un roulement ou une bague dans une rotule, permettant l'articulation.

Figure 4. Accouplement à grille

LUBRIFIANTS POUR ACCOUPLEMENTS FLEXIBLES
Les huiles et graisses peuvent lubrifier les accouplements flexibles. La plupart des accouplements industriels sont graissés sauf spécification contraire. La graisse fournit un film d'huile qui suinte de l'épaississant vers la zone de charge, protégeant les composants.

Les accouplements flexibles lubrifiés doivent résister aux mouvements relatifs de faible amplitude, aux forces centrifuges sur le lubrifiant, et à la distribution inégale d'huile. Les petits mouvements de glissement inhibent la lubrification hydrodynamique à film complet, donc des huiles de base à haute viscosité, additifs EP, et agents mouillants métal sont recommandés pour maintenir des conditions de film limite ou mixte. La haute viscosité réduit aussi les fuites.

Les forces centrifuges dans les accouplements peuvent atteindre des milliers de fois la gravité (Gs). Les formulations de graisse sont conçues pour prévenir la séparation prématurée de l'huile et de l'épaississant sous de telles forces.

Figure 5. Cardan

ACCOUPLEMENTS FLUIDES
Les accouplements fluides transmettent le couple via le mouvement du fluide. Le désalignement n'est accommodé que par les petits jeux entre pièces mobiles, laissant peu de marge d'erreur. Néanmoins, les accouplements fluides absorbent efficacement les chocs de charge et les couples de démarrage élevés car il n'y a pas de lien mécanique direct entre arbres d'entrée et sortie.

À l'intérieur d'un accouplement fluide, une turbine sur l'arbre d'entrée accélère le fluide comme une pompe centrifuge. Le fluide frappe alors les aubes du rotor sur l'arbre de sortie, transférant l'élan. Le rotor accélère vers la vitesse d'entrée sans jamais l'atteindre tout à fait, résultant en un glissement. La vitesse d'entrée minimum requise pour que la sortie tourne est appelée vitesse d'emballement. Les accouplements fluides sont idéaux pour les équipements à charges statiques élevées, comme les turbines vapeur ou gaz, où le stress initial sur l'arbre d'entraînement doit être minimisé.

Les chocs du côté entrée ne sont jamais transmis ; la vitesse de l'arbre d'entrée reste sans restriction. Quand la vitesse d'emballement est dépassée, l'arbre de sortie accélère à un taux limité par son inertie, et toute énergie excédentaire est dissipée en chaleur visqueuse. Les convertisseurs et multiplicateurs de couple sont des accouplements fluides spécialisés qui modifient le couple d'entrée avant transmission.

LUBRIFIANTS POUR ACCOUPLEMENTS FLUIDES
La dissipation d'énergie dans les accouplements fluides peut faire monter la température du fluide rapidement, dépassant parfois 200 °F en une minute. L'huile doit résister à l'oxydation, la dégradation thermique, et maintenir un indice de viscosité élevé pour prévenir des changements drastiques de viscosité aux pics de température.

Les viscosités typiques vont de 2,5 à 72 cSt à 40 °C. Pour applications haute température, des limites de viscosité peuvent être spécifiées à 100 °C. Les huiles à basse viscosité réduisent la puissance perdue par frottement, mais doivent résister au moussage de l'agitation intense et fournir une protection antirouille. Les fluides à base d'hydrocarbures, améliorés avec additifs antirouille, offrent performance supérieure et compatibilité joints.

RECOMMANDATIONS
Une maintenance appropriée est essentielle pour la durée de vie de tout accouplement. Vérifiez régulièrement les niveaux et la qualité du lubrifiant, et ajoutez du lubrifiant pour compenser les fuites. Périodiquement, purgez et remplacez le lubrifiant pour éliminer les produits de dégradation et reconstituer les additifs. Les accouplements à engrenages requièrent souvent une relubrification tous les six mois à un an, selon la sévérité de l'application et l'expérience de l'opérateur.

Toute maintenance doit insister sur le contrôle de contamination. La contamination particulaire peut causer une usure abrasive sur les contacts glissants. Les solvants résiduels du nettoyage peuvent fluidifier les lubrifiants ou réagir avec les épaississants de graisse, compromettant la performance.

Les accouplements endurent mieux quand les demandes opérationnelles sont modérées. Réduire les chocs de charge – démarrages durs et inversions brusques de charge – est la première ligne de défense. L'alignement, une fonction de précision à haute priorité, peut être vérifié par analyse vibratoire ou thermographie en operation, et doit être revérifié chaque fois que maintenance ou réparations surviennent.