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Roulements à billes – Répartition de la charge pour roulements à rouleaux
Les roulements à billes et autres roulements à rouleaux sont installés dans de nombreuses machines. Les roulements installés transmettent les forces radiales ou axiales au logement de la machine, facilitant ainsi le mouvement et le fonctionnement de divers composants mobiles. Les forces qui se produisent et la charge qui en résulte dans le palier doivent être déterminées à l’étape du processus de conception. La répartition de la charge dans le palier et la géométrie du point de contact associé sont essentielles pour garantir la durée de vie, le fonctionnement optimal et l’efficacité du palier. Dans cet article, nous examinons la charge exercée sur un roulement à rouleaux et comment la géométrie de la surface de contact affecte la répartition de la charge dans le roulement à rouleaux.
Principes de base des roulements à rouleaux
Les roulements à rouleaux sont des roulements rotatifs qui guident les pièces mobiles les unes par rapport aux autres et les fixent contre les composants environnants. Au cours de ce processus, ils absorbent les forces et les transfèrent en tant qu’élément de connexion entre les composants dormants et en mouvement. Leurs principales fonctions sont de transporter et de guider les composants en mouvement les uns par rapport aux autres. Dans ce cas, il n’y a pas de forces insignifiantes exercées sur les surfaces du roulement à rouleaux et les éléments roulants.
Charges exercées sur les roulements à rouleaux au contact des composants
La charge principale des roulements à rouleaux est généralement perpendiculaire au plan de contact. Cette charge se concentre à l’intérieur du roulement à rouleaux sur des surfaces de contact relativement petites entre le corps du roulement et la bague intérieure ou extérieure. Les forces incidentes entraînent une compression de la surface, laquelle dépend notamment de la forme de la course et du corps de roulement, de la direction de la force, ainsi que du nombre d’éléments roulants soumis simultanément à la charge. La compression de surface qui en résulte affecte la durée de vie et l’usure, ainsi que la capacité de charge maximale admissible du palier. Pour une meilleure appréciation, l’étendue de la compression dans les surfaces de roulement porteuses de pression peut être déterminée à l’aide des équations Hertz.
La compression Hertz décrit la répartition de pression locale qui se produit à la surface de contact de deux corps courbés sous charge. À l’aide des calculs, l’aire de surface du palier supportant la pression, la déformation et la charge de surface peuvent être déterminées. Pour le calcul idéal, on suppose les conditions suivantes : un comportement linéaire-élastique du matériau, des surfaces de contact relativement petites, un contact sans friction et une pression exercée verticalement. En pratique, ces conditions ne sont pas toujours remplies avec précision dans les roulements à rouleaux, mais la formule Hertz fournit toujours des résultats suffisamment précis pour évaluer la compression maximale de la zone. Sur cette base, les roulements à rouleaux peuvent être mieux conçus et la charge maximale pour les roulements à billes peut également être déterminée.
Impact de la géométrie de la surface de contact sur la répartition de la charge
La géométrie de la surface de contact change en fonction de la géométrie de la course et des types d’éléments roulants utilisés. Elle a une influence directe sur la répartition de la charge. Par exemple, un contact de point se forme pour les billes, tandis qu’un contact de ligne se forme pour les éléments roulants cylindriques.. Le contact de point entraîne une compression sous charge. La bille et le rail se déforment élastiquement. Cette déformation crée une surface de contact elliptique avec une répartition de compression différente. La compression est maximale (déformation maximale) au centre de la surface de contact générée par la déformation, puis diminue progressivement vers l’extérieur.
Le point de contact qui se produit dans le roulement à billes rainuré engendre une compression de surface relativement élevée. Les roulements à rouleaux cylindriques ou les roulements de baril sont donc plus adaptés pour les charges radiales élevées. Le contact linéaire des éléments roulants cylindriques répartit la pression sur une surface plus étendue. Les éléments roulants et les pistes se déforment également avec des roulements à rouleaux cylindriques sous charge. En raison de la forme des éléments roulants, la charge de compression se termine brusquement aux extrémités des éléments roulants, créant ainsi des pics de pression à ces points.
Les rouleaux de tambour sont par exemple utilisés pour éviter l’interruption abrupte de la charge de compression. Pour les rouleaux de tambour symétriques, la surface extérieure est légèrement courbée sur toute la longueur du cylindre, ce qui génère une répartition de pression elliptique. Pour les roulements de baril non symétriques, la charge de compression se déplace légèrement vers la courbure plus importante. Cela permet par exemple de compenser les désalignements.
Parmi les autres types d’éléments roulants à contact de ligne figurent le rouleau fuselé et l’élément roulant en forme d’aiguille. La direction de la charge sur un rouleau fuselé correspond à l’angle du cône. Les charges axiales et radiales peuvent être prises en charge simultanément. Le désalignement permet également d’absorber des charges combinées particulièrement élevées. Pour les éléments roulants en forme d’aiguille, les pics de pression à l’extrémité sont minimisés grâce au contact de ligne prolongé permis par la forme de l’aiguille.
Instructions pour la conception des roulements à billes
La conception du roulement influence considérablement le fonctionnement et la durée de vie des roulements à billes. Le mouvement relatif d’une bague de roulement peut affecter négativement la durée de vie. Ce mouvement est fréquemment provoqué par un assemblage incorrect : La bague de roulement n’est pas correctement alignée ou n’est pas correctement fixée. Lors de l’installation, il est donc essentiel de s’assurer que la fixation des roulements à rouleaux des bagues (bague intérieure et extérieure) ainsi que les rondelles sur l’essieu ou l’alésage du logement sont correctement installées. Ne laissez pas ces éléments glisser sous la charge.
Cependant, une installation trop lâche, tout comme une installation trop serrée, peut avoir des conséquences négatives : Si les bagues de roulement sont trop serrées ou déformées en raison d’une force excessive lors de l’assemblage, cela entraîne une répartition inégale de la charge. Des pics de charge peuvent se produire, entraînant une défaillance prématurée du matériau et un risque de fissuration. Une bague de roulement déformée peut créer de nouvelles surfaces de contact pour la friction et la génération de chaleur, ce qui nuit également à la durée de vie.
En plus de garantir un ajustement correct, il est également nécessaire de définir le type de charge souhaité avant l’installation. Il est également possible d’évaluer le type de charge auquel l’anneau sera exposé. Le type de charge définit la manière dont la bague de roulement est fixée ou déplacée par rapport à la source de charge et le siège du roulement à sélectionner. Les types suivants existent :
- Charge circonférentielle : Une charge circonférentielle sur le palier se produit lorsque la bague tourne par rapport à la direction de la charge. L’ensemble de la bague est sollicité lors de chaque révolution. Si le siège est lâche, la bague peut migrer, il est donc important de sélectionner un siège serré.
- Charge de point : Une charge de point sur le palier se produit lorsque la bague est positionnée par rapport à la direction de la charge. Le même point reste constamment sous charge. Même si le siège est desserré, la bague ne migre pas.
Le tableau suivant présente différents cas de charge pour les roulements radiaux :
| Charger le boîtier | Schéma simplifié | Description | Ajustement |
|---|---|---|---|
| Bague extérieure : Point de chargement |  |
Bague intérieure : circonférentielle Boîtier et charge : stationnaire |
Coupe fixée : bague intérieure Coupe ample autorisée : Bague extérieure |
 |
Bague intérieure : stationnaire Bague extérieure : boîtier et charge : circonférentiel |
||
| Bague intérieure : Point de chargement |  |
Arbre et charge : circonférentiel Bague extérieure : stationnaire |
Coupe fixée : bague intérieure Coupe ample autorisée : Bague extérieure |
 |
Arbre et charge : circonférentiel Bague extérieure : stationnaire |
Les deux types de charge ont des applications différentes. Cependant, dans la plupart des cas, la charge circonférentielle sera l’option de partage uniforme de la charge. Les tolérances pour les paliers et les sièges du palier en général sont disponibles sur notre blog Ajustements ISO et tolérances pour les arbres et les alésages.
Solutions basées sur la conception pour paliers flottants et fixes
Pour les roulements à rouleaux, il existe deux configurations courantes : paliers flottants et paliers fixes. Les paliers fixes sont conçus pour absorber les forces radiales et axiales. Le verrouillage de l’arbre dans le sens axial l’empêche de bouger. Les paliers fixes appropriés comprennent des roulements à billes à contact oblique à double rangée. Les roulements flottants sont utilisés exclusivement pour absorber les forces radiales. Les deux types de roulements sont généralement disposés de manière à pouvoir idéalement absorber ces charges et compenser les changements thermiques dans la longueur de l’arbre ou du logement supporté. Les roulements flottants appropriés comprennent les roulements à rouleaux cylindriques et les roulements à aiguilles. Le pignon à rouleaux peut se déplacer le long de la course de la bague de roulement sans nervure.
Les deux figures suivantes montrent la répartition de charge différente lors de l’installation d’un roulement à billes à rainure avec une précharge différente (ajustement) :
Un minimum de deux paliers doit être utilisé pour soutenir un arbre. Ces paliers multiples sont constitués d’un palier fixe et d’un nombre quelconque de roulements flottants. Les roulements flottants d’un arbre rotatif sont conçus pour absorber les forces radiales tout en permettant un mouvement axial. Ainsi, la dilatation thermique de l’arbre et du logement peut être équilibrée.
Les instructions suivantes s’appliquent lors de la conception du palier et de l’ajustement :
- Vérifier l’alignement de l’arbre : Pour un décalage d’arbre, les roulements oscillants sont une option (dans la plage de compensation du roulement oscillant).
- Assurer une répartition optimale de la charge et une répartition uniforme sur les éléments roulants (les anneaux ne doivent pas glisser dans la direction circonférentielle, prendre en compte les paliers fixes et flottants).
- Assurer le faux-rond et la planarité.
Facteurs d’influence sur les performances et la durée de vie des roulements à rouleaux
En plus d’une installation correcte, d’autres paramètres affectent les performances et la durée de vie des roulements à billes et roulements à rouleaux. Comme mentionné plus haut, la répartition dynamique de la charge du palier a également une influence. Nous examinerons ci-dessous en détail la capacité de charge dynamique pour les paliers et les roulements à billes ainsi que la charge statique. Nous montrerons également comment calculer la capacité de charge dynamique et statique des paliers. Nous considérerons ensuite brièvement la température comme un exemple de facteurs d’influence supplémentaires.
Influence de la capacité de charge dynamique et statique
Les roulements à billes peuvent être décrits par la capacité de charge dynamique et statique. La capacité de charge dynamique C est utilisée pour calculer la durée de vie nominale d’un palier sous l’influence d’une charge X. La norme selon la norme ISO 281 est que le palier est utilisé pendant au moins 1 million de tours. La capacité de charge dynamique C0 indique à son tour la charge maximale qui peut être exercée sur le palier au repos sans déformation permanente (ou une déformation maximale de 1/10 000). Plus la capacité de charge dynamique est élevée, plus les charges pouvant agir sur le palier en fonctionnement sont élevées. Plus la capacité de charge statique est élevée, plus le palier est protégé de la déformation sous des charges lourdes.
La capacité de charge dynamique est généralement spécifiée par le fabricant. La charge dynamique du palier est calculée, et est ensuite comparée à la capacité de charge dynamique. La charge de palier dynamique est calculée comme suit :
P = X \times F_{r} \times F_{a} \times Y
- P = Charge de palier dynamique en N
- Fr = force radiale en N
- Fa = force axiale en N
- X = facteur de charge radial
- Y = facteur de charge axiale
- Les facteurs de charge X et Y dépendent du type de roulement sélectionné et du rapport Fr et Fa (généralement les spécifications du fabricant)
La capacité de charge dynamique C doit être supérieure ou égale à la charge dynamique déterminée du palier P, sinon il existe un risque de surcharge du palier. La capacité de charge dynamique C0 peut être calculée comme suit :
C_{0} = P_{0} \times S_{0}
- C0 = capacité de charge dynamique en N
- P0 = Charge statique équivalente au palier
- S0 = Facteur de sécurité de la charge statique, en fonction du mode de fonctionnement et des exigences de fluidité
La charge du palier est affectée par différentes températures. Les températures élevées réduisent la résistance du matériau des éléments roulants et des courses. À cette fin, il existe des facteurs de déclassement à prendre en compte pour les utilisations dans des conditions de température plus élevées lors de la conception de roulements à rouleaux.
