Cours de Roulements - Éléments de machines

ROULEMENTS

Plan

- Types de roulements

- Facteurs affectant le choix d’un roulement

- Durée du roulement en fatigue

- Charge statique

- Vitesse de rotation et charge variable

- Choix du roulement à billes ou à rouleaux cylindriques

- Usure

- Montage et dispositifs d’étanchéité des roulements

 

---

Avantages de roulements

• Frottement de roulement est inférieur à celui du glissement ⇒ diminution des pertes

• Production en série ⇒ précision et qualité à un prix raisonnable

• Faible sensibilité aux variations de charges, vitesses et températures ⇒ bonne fiabilité

• Utilisation et choix normalisés ⇒ interchangeabilité

Palier typique des poulies d’un convoyeur

Composantes d’un palier à roulement

Les roulements sont construits pour supporter la charge :

• radiale

• axiale

• combinée

Types d’éléments roulants

Matériaux

Types de roulements à billes

Désignation ISO : XYZ (série) DD (d/5 mm)

Roulements à rouleaux

Facteurs affectant le choix d’un roulement

1. Charge et direction de la charge

2. Vitesse de rotation

3. Température de fonctionnement

4. Pertes mécaniques dans les roulements (frottement de roulement, de glissement et cisaillement du lubrifiant)

5. Compensation des défauts d’alignement

6. Contraintes d’encombrement

7. Précision et rigidité des roulements, facilité de montage et démontage, bruit de fonctionnement, etc.

1 - Charge et direction de la charge

2 - Vitesse de rotation

3 – Pertes dans les roulements

Les données sont valides pour des roulements bien lubrifiés, dont la bague interne tourne et qui n’ont pas des joints d’étanchéité. La direction de la charge n’est pas prise en compte.

• Frottement de roulement (entre les billes et les bagues)

• Hystérésis de déformation élastique des éléments

• Frottement de glissement (entre les billes et les bagues, les billes et les cages, etc.)

• Cisaillement du film de lubrifiant

4 - Compensation de défauts d’alignement

Raisons d’apparition

• Alésage séparé

• Déformation des arbres

• Imprécision de montage

Angles de rotulage admissibles

5 - Contraintes d’encombrement

Choix des roulements (série 02) à une rangée

Choix des roulements (résumé)

Catalogues: SKF, FAG, NSK, TIMKEN, Thomson, Renault, etc.

• C – charge dynamique de base

• Co - charge statique de base

• Nmax - en fonction de lubrification

• Dimensions géométriques, D, d, b, r

• Tolérances normalisées

Vie d’un roulement

La durée de vie d’un roulement est le nombre de tours que celui-ci peut effectuer avant qu’un début de l’écaillage ne se produise.

• Avaries primaires

- Usure

- Empreintes, indentations

- Grippage

- Déformation de surface

- Corrosion

• Avaries secondaires

- Ecaillage

- Fissuration

Usure

• Causée par des particules abrasives (manque de propriété ou étanchéité insuffisante)

• Causée par une lubrification inadéquate (le lubrifiant s’est dégradé)

• Causée par les vibrations à l’arrêt

Empreintes, indentations

• Causées par les erreurs commises lors du montage (effort de montage sur la mauvaise bague, enfoncement excessif sur portée conique, etc.)

• Causées par une surcharge sur le roulement à l’arrêt

• Causées par des particules étrangères

Grippage

• Grippage des faces des rouleaux et des épaulements de guidage causé par un glissement sous forte charge axiale et une lubrification inadéquate

• Grippage des rouleaux et des chemins dû à l’accélération des rouleaux à l’entrée dans la zone de charge

• Grippage des surfaces extérieures causé par la rotation de la bague par rapport à l’arbre ou au logement

• Grippage dans les butées à billes causé par une charge trop faible par rapport à la vitesse de rotation

Déformation de surface

Causée par une lubrification inadéquate ou par une charge excessive

Corrosion

Causée par la présence d’eau, d’humidité ou de substances corrosives pendant une longue période (manque d’étanchéité, choix du lubrifiant sans bonnes propriétés antirouille ou ajustement insuffisamment serré)

Ecaillage

Fissuration

Résumé sur la faillite d’un roulement

Deux causes ultimes de faillite de roulements :

-Usure

-Fatigue

Cas idéal de service

• Choix du roulement correspond bien à l’application (calculs adéquats)

• Lubrification efficace durant toute la vie du roulement

• Montage soigné

• Protection contre la saleté, les agents abrasifs, l’humidité et l’attaque chimique

La durée de vie nominale

Durée de vie en fatigue d’un roulement

L10        le nombre d’heures ou de cycles (ou de tours) de survie de 90 % des roulements à une charge et vitesse constante.

L50≈5L10       la durée de vie de 50 % des roulements à une charge et vitesse constante.

Durée de vie en fatigue

Pour uniformiser les caractéristiques des roulements, AFBMA a introduit Le taux de charge dynamique «C10» (basic load rating) est une charge radiale qui cause la faillite de 10 % de roulements avant 1000000 (un million) de révolutions, à une vitesse de 33 1/3 tours par minute (la bague intérieure tourne); T = 20o C.

Li - durée de vie, Fi - charge appliquée

a=3, roulements à billes; a = 10/3, roulements à rouleaux

Conditions de fonctionnement idéales : montage, lubrification, protection

Taux de charge dynamique

Distribution statistique de la durée de vie

Distribution statistique de la durée de vie de Weibull

Fiabilité

En utilisant la distribution statistique de Weibull, on peut calculer la durée de vie normalisée avec une fiabilité désirée R :

Synthèse (fiabilité-charge)

Choix d’un roulement

- Charge dynamique de base

- Vitesse (vérification)

- Usure (vérification)

- Charge statique (vérification)

Charge radiale équivalente

X et Y = facteurs multiplicatifs pour les charges radiale et axiale

Notes et explications

1. Pour une charge purement radiale :

Fe=VFr

2. Pour les R-à-B rigides à une rangée, Fa n’intervienne que si (Fa / Fr) > e [e voir catalogue]

3. Pour les R-à-B à 2 rangées de billes, Fa est toujours considérée

4. Pour les R-à-B cylindrique sans épaulement : Fa=0, avec épaulement : Fa est petite

5. Pour les butées à billes : Fr=0

6. Pour les butées à rotule sur rouleaux :

Fe=Fa+1.2Fr

Facteurs des charges radiales et axiales équivalentes

Charge radiale équivalente en fatigue

Facteur d’application de la charge

Facteur de température

Tient compte de la baisse de Su et de la dureté d’éléments roulants lors d’une hausse de température

Charge statique (bearing static load rating)

La charge correspondante à une déformation de l’ordre de 0.0001 du diamètre de l’élément roulant dans cet élément roulant ou dans la piste de roulement s’appelle la charge statique de base «Co» (voir les catalogues)

Démarche de calcul (R-à-B rigides)

Vitesse de rotation et charge variables

• Vitesse variable et charge constante

• Charge variable et vitesse constante

• Vitesse et charge variables

• Vitesse constante et variation linéaire de la charge

Vitesse ou charge variables

Vitesse et charge variables

Facteur d’usure / durée d’utilisation

Le facteur d’usure fv détermine l’usure admissible pour une application donnée (voir catalogues du fabricant).