Lubrifiants extrême-pression pour engrenages. Aspects chimiques de l'optimisation des performances mécaniques

Extreme-Pressure Gear Lubricants: Chemical Aspects for Obtaining Optimum Mechanical Performances

Institut Français du Pétrole

Résumé

Les conditions optimales de rendement des moteurs correspondent rarement aux besoins de l'utilisation finale de l'énergie en ce qui concerne la vitesse de rotation et le couple, d'où la nécessité de mécanismes intermédiaires qui réalisent l'adaptation nécessaire : réducteurs, boîtes de vitesse (manuelles ou automatiques), boîtes de transfert, ponts arrières. La technologie moderne, particulièrement dans les transports, exige la réduction des masses et des volumes alloués à ces mécanismes, ce qui correspond à des puissances spécifiques de plus en plus élevées, transitant par les engrenages. Malgré les progrès technologiques réalisés dans la conception et la réalisation des engrenages, leur lubrification correcte reste un facteur déterminant. La lubrification des engrenages chargés exige l'emploi de composés chimiques dits additifs extrême-pression . Parmi ceux-ci les combinaisons à base de phosphore et de soufre sont largement utilisées dans l'industrie et seront les seules considérées dans cet article. Le soufre est l'élément extrême-pression par excellence : il forme au niveau des microgrippages un film solide de sulfure de fer facilement cisaillable. Le soufre est apporté par des sulfures ou polysulfures organiques oléosolubles mais sa labilité doit être ajustée de façon à exercer un effet uniquement au niveau local, sans provoquer de corrosion. Une bonne connaissance des relations structure des polysulfures-propriétés mécaniques permet d'optimiser la structure des additifs industriels. L'action antiusure est généralement du ressort des composés phosphorés : dialkyldithiophosphates de zinc, dialkylphosphites, alkylphosphates, sels d'amines des alkylphosphates. En fonction des types d'engrenages et de leurs conditions d'utilisation, des composés sulfurés à soufre plus ou moins labile seront choisis. De même, la balance entre additifs sulfurés et phosphorés sera optimisée. L'utilisation de plusieurs types de dérivés sulfurés et/ou phosphorés sera parfois nécessaire. Enfin, des additifs complémentaires : anticorrosion, en particulier pour protéger les métaux cuivreux, antirouille, antimousse, réducteur de frottement seront sélectionnés en évitant des interactions préjudiciables aux performances mécaniques. La formulation d'additifs destinés aux lubrifiants extrême-pression pour engrenages nécessite donc un choix judicieux des composants de sorte que chacun d'entre-eux puisse assumer correctement sa fonction pour une durée aussi longue que possible.

Abstract

Optimal conditions for engine efficiency rarely correspond to the needs of the end use of energy insofar as rpm and torque are concerned. This is why intermediary mechanisms are needed for making the necessary adjustments, i. e. reducing gears, gear boxes (manual or automatic), transfer cases and rear axles. Modern technology, particularly for transportation, requires the reduction of both the mass and volume of such mechanisms, meaning that greater and greater specific loads must pass through gears. Despite technological progress made in designing and manufacturing gears, their proper lubrication remains a determinant factor. The lubrication of heavily loaded gears requires the use of chemical components called extreme-pressure additives . Among them, phosphorus and sulfur combinations are widely used in industry and will be the only ones considered in this article. Sulfur is the element most often used to obtain extreme-pressure properties. It forms an easily sheared film of iron sulfide on microweldings. Sulfur is present in oil as organic sulfides or polysulfides, but its lability must be adjusted to have a solely local effect without causing any corrosion. A good understanding of the relations between the structure and mechanical properties of polysulfides is required for optimizing the structure of industrial additives. Antiwear properties are usually provided by phosphorus compounds, i. e. zinc dialkyldithiophosphates, dialkylphosphites, alkylphosphates and amine salts of alkylphosphates. Depending on the types of gears and the conditions in which they are used, more or less labile sulfur compounds are chosen. Likewise, the balance between sulfur and phosphorus additives must be optimized. Several types of sulfur and/or phosphorus derivatives will sometimes have to be used. Concerning other additives - corrosion inhibitors, in particular to protect copper alloys - antirust additives, foam inhibitors, friction reducers will be chosen while avoiding interactions that could be harmful to mechanical performances. The formulation of additives for extreme-pressure gear lubricants thus requires a careful choice of components so that each of them can do what it is supposed to do for as long as possible.