Les roulements à rouleaux et leurs utilisations

Guide de roulement à rouleaux

Figure1 : Sphérique

Figure1 : Roulement à rouleaux sphériques

Les roulements sont utiles dans de nombreux cas industriels et permettent aux individus de transporter des charges lourdes avec peu de friction. Les progrès de la technologie ont permis de produire des roulements à rouleaux précis. Ces roulements de qualité offrent un excellent équilibre entre le coût, la taille, la capacité de charge, la précision, la longévité et le poids.

Table des matières

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Que sont les roulements à rouleaux ?

Également connus sous le nom de roulements à éléments roulants, les roulements à rouleaux fonctionnent selon le même principe que les roulements à billes et remplissent une fonction principale : supporter des charges avec un frottement minimal. La différence entre les roulements à billes et à rouleaux réside dans la forme et la construction. Les premiers utilisent des billes, tandis que les seconds utilisent des cylindres.

Les roulements à éléments roulants contiennent une ou deux rangées de rouleaux. Par exemple, les roulements à double rangée de rouleaux améliorent considérablement la capacité de charge radiale. En outre, l'utilité de ces roulements, de formes et de tailles diverses, permet de transmettre des charges radiales et axiales avec un frottement réduit.

Roulements à une ou deux rangées de rouleaux

Les rouleaux à une rangée comportent une seule rangée d'éléments roulants. Ils ont une conception simple et non séparable et des roulements à rouleaux à contact angulaire qui ne peuvent supporter que des charges axiales dans un seul sens. Le principal avantage des roulements à une rangée est qu'ils constituent une excellente option pour les applications à grande vitesse. La ligne d'action de la charge du corps roulant et la ligne d'action de la charge radiale ne sont généralement pas sur le même plan radial. Par conséquent, les rouleaux à une rangée doivent être montés par paires lorsqu'ils sont soumis à une charge radiale pure.

En revanche, les rouleaux à double rangée comportent deux rangées d'éléments roulants. Ils peuvent supporter des charges radiales et axiales bidirectionnelles. Cependant, ils peuvent limiter le déplacement axial de l'arbre et du boîtier dans les limites du jeu axial du roulement. Par rapport aux roulements à contact angulaire à une rangée, les roulements à contact angulaire à deux rangées offrent une meilleure rigidité, ce qui leur permet de supporter des moments de renversement ou des effets de basculement. Outre leur rigidité accrue, les roulements à deux rangées présentent d'autres avantages, notamment une capacité de charge élevée et une grande compacité.

Pourquoi utiliser des roulements à rouleaux ?

La principale raison d'utiliser des roulements à rouleaux est de réduire la friction pour les applications sans effort. Par conséquent, ils produisent moins de chaleur pendant leur fonctionnement et ne nécessitent pas de lubrification répétitive. L'utilisation de roulements à rouleaux présente d'autres avantages :

  • Réduit les coûts de maintenance et d'entretien
  • Conception séparable, permettant un montage et un démontage simples
  • Procédure interchangeable - les utilisateurs peuvent facilement remplacer la bague intérieure
  • Les roulements peuvent faciliter le changement de direction sans modifications techniques
  • Permet un déplacement axial

Comment fonctionnent les roulements à rouleaux ?

Pour apprécier le fonctionnement des roulements à éléments roulants, il convient d'abord de comprendre leur conception. Un roulement peut contenir des billes, des rouleaux à billes, des

rouleaux coniques ou des aiguilles. Ils comportent une bague intérieure et une bague extérieure avec des chemins de roulement pour les pièces en cage. Ils comprennent également un lubrifiant pour réduire la friction et des joints pour empêcher l'entrée de particules qui pourraient contaminer l'huile.

Les poches à l'intérieur des cages séparent les éléments de roulement et maintiennent un espacement constant lorsque les appareils roulent sur les pistes de course. Comme nous l'avons déjà mentionné, les roulements à rouleaux existent en différentes configurations, y compris les éléments à une ou deux rangées.

Les cylindres situés entre les chemins de roulement intérieur et extérieur permettent aux éléments en cage de rouler dans les chemins de roulement selon un seul axe. Les éléments roulants glissaient hors de leur position en cas de fonctionnement sans les cages, ce qui entraînait une défaillance du roulement. Les cages ne supportent aucune charge, leur rôle est de maintenir les rouleaux en place. Il existe également des roulements sans cage appelés "full complementary bearings" (FCB). En général, les FCB ont plus d'éléments roulants et supportent des charges plus lourdes. Un autre avantage est qu'ils peuvent résister à des chocs soudains car les rouleaux répartissent uniformément la charge dans le chemin de roulement.

Il est également nécessaire de lubrifier les roulements à rouleaux. Le fait de graisser ou non dépend du produit que vous achetez. Les roulements à rouleaux étanches sont généralement livrés pré-lubrifiés, et aucun graissage supplémentaire n'est nécessaire. Celles qui ne sont pas étanches nécessitent un plan de lubrification appelé lubrification élastohydrodynamique et doivent respecter les spécifications du fabricant.

Dans ce régime de graissage, un lubrifiant, généralement de moins d'un micron, est appliqué avec des niveaux de pression pouvant atteindre 500 000 livres par pouce carré. La graisse se solidifie partiellement et déforme élastiquement les éléments roulants et la surface de contact. Toute contamination de l'huile peut entraîner une dégradation importante de la surface de contact et provoquer l'accumulation de particules d'usure supplémentaires.

Configurations des roulements à rouleaux

En fonction des exigences spécifiques, telles que les directions de charge et la rigidité, un roulement à rouleaux peut être constitué d'une ou deux rangées d'éléments roulants. La configuration du roulement supporte et dirige l'arbre ou la charge radialement ou axialement par rapport à d'autres composants comme les boîtiers. Deux blocs de support, soit montés aux deux extrémités, soit intermittents, doivent serrer l'arbre sans utiliser de boulons.

Les rouleaux à deux roulements sont les plus couramment utilisés et peuvent avoir l'une des trois dispositions suivantes :

  • Configuration du palier fixe ou libre
  • Configuration ajustée du roulement
  • Configuration des paliers flottants

Configuration du palier fixe et du palier libre

Dans une configuration de positionnement, le support de roulement touche l'arbre dans le sens axial. D'autre part, un montage de palier libre fournit des déplacements axiaux dus à la différence de dilatation ou de déformation thermique entre l'arbre et le logement. En outre, il offre une plus grande tolérance des composants, ce qui influe sur la distance entre les roulements.

Configuration ajustée des roulements

Dans une configuration de roulement ajustée, l'arbre se déplace d'avant en arrière ; un support de roulement permet un déplacement positif tandis que l'autre (positionné en croix) permet le positionnement de l'arbre dans la direction opposée. Les utilisateurs doivent d'abord régler le dégagement lors du montage du composant. Les roulements à rouleaux coniques (examinés ci-dessous) sont des exemples de roulements à rouleaux présentant une telle configuration.

Configuration des paliers flottants

Dans une disposition flottante, le roulement transversal et les composants de contact se déplacent librement dans le sens axial ou radial sur des distances variées entre les deux points d'extrémité. La différence de dilatation thermique entre l'arbre et le logement et les tolérances du composant déterminent la distance de flottement. Les roulements à billes et à rainures profondes sont des exemples de roulements à éléments roulants à configuration flottante.

Types de roulements à rouleaux

Il existe de nombreux roulements à rouleaux sur les marchés grand public, utilisés pour diverses applications. Parmi les types les plus courants, citons :

Roulements à rouleaux sphériques

Le roulement sphérique comprend une bague intérieure avec deux chemins de roulement inclinés selon l'angle de l'axe du roulement, une bague extérieure avec un chemin de roulement sphérique commun, des éléments roulants sphériques, des cages et, dans certains modèles, des bagues centrales internes.

Leur construction leur permet de supporter de lourdes charges axiales et radiales dans toutes les directions à des vitesses élevées, même en cas de désalignement des roulements ou de déviation de l'arbre. Les roulements sphériques sont polyvalents et sont proposés avec des alésages cylindriques ou coniques allant de 20 mm à 900 mm, ce qui permet aux utilisateurs de les installer avec ou sans adaptateur de manchon.

Roulements à rouleaux cylindriques

Ces roulements comportent des rouleaux de forme cylindrique en contact linéaire avec les chemins de roulement mais ne sont pas de véritables cylindres. Au lieu de cela, ils ont des extrémités couronnées ou flottantes pour soulager le stress. Vous pouvez les trouver en configuration à une ou deux rangées. Néanmoins, quel que soit votre choix, leur géométrie leur confère une plus grande capacité de charge radiale dans les applications à grande vitesse. Néanmoins, ils ont une capacité de charge de poussée modérée.

Roulements à rouleaux cylindriques

Figure 2 : Roulements à rouleaux cylindriques

Roulements à rouleaux coniques

Les rouleaux coniques sont conçus selon le principe que les cônes peuvent rouler les uns sur les autres sans glisser. Ils contiennent une bague intérieure et extérieure et des rangées de cônes non séparables. Les rouleaux coniques utilisent des roulements coniques qui roulent sur des chemins de roulement coniques correspondant à la conception conique des roulements. En raison de leur surface de contact importante, les rouleaux coniques peuvent supporter de fortes charges radiales, axiales et de poussée, généralement dans des applications à vitesse modérée.

Ils ressemblent beaucoup aux roulements cylindriques, mais si vous décidez lequel acheter, voici la principale différence : les roulements à rouleaux cylindriques ne supportent que des charges de poussée limitées. En même temps, leurs homologues coniques peuvent gérer des charges de poussée importantes. Les roulements à rouleaux coniques sont généralement disponibles en pouces et en mesures métriques.

Roulements à rouleaux coniques

Figure 3 : Roulements à rouleaux coniques

Roulements à aiguilles

Ces rouleaux sont dotés de roulements fins et longs positionnés horizontalement dans le corps du roulement. Ils peuvent avoir des extrémités coniques pour maintenir la position du rouleau ou des extrémités hémisphériques pour un mouvement libre du roulement. Les roulements à aiguilles sont une variante des roulements cylindriques. Leur conception en forme de coupelle leur permet de supporter des capacités de charge radiale élevées dans des applications nécessitant une précision de rotation à grande vitesse.

Le principal avantage des galets à aiguilles est leur capacité à utiliser la surface d'accouplement comme chemin de roulement intérieur ou extérieur, ou les deux. La construction offre également de grands réservoirs d'huile tout en conservant une conception minimaliste de la section transversale. Vous trouverez des galets à aiguilles avec ou sans bague intérieure.

Roulements à aiguilles

Figure 4 : Roulements à aiguilles

Roulement à rouleaux de butée

Les paliers de butée sont des roulements rotatifs spécifiques utilisés pour supporter des charges élevées dans des environnements hostiles. Ils peuvent comporter divers éléments roulants, notamment des aiguilles, des rouleaux coniques, sphériques ou cylindriques, qui divisent les bagues de roulement. Les galets de butée gèrent les charges axiales et de poussée parallèles à l'axe de l'arbre. Leur indice de vitesse varie en fonction de l'élément roulant utilisé. Par exemple, les butées à billes sont excellentes pour les applications à grande vitesse, mais les butées à rouleaux cylindriques sont limitées à des vitesses modérées.

Palier de butée à rouleauxpalier de butée sphériquepalier de butée conique

Figure 5 : Palier de butée à rouleaux (gauche), palier de butée sphérique (milieu) et palier de butée conique (droite)

Modèles de calcul de la défaillance et de la durée de vie des roulements

Environ 10 milliards de roulements sont mis en service par les fabricants chaque année dans le monde. Quatre-vingt-dix pour cent d'entre eux survivent aux machines dans lesquelles ils sont installés. Seuls 0,5 % ou 50 000 000 sont remplacés en raison d'une défaillance ou d'un dommage.

Les roulements à rouleaux s'abîment ou tombent en panne pour différentes raisons, notamment

  • Fatigue
  • Mauvais régime ou pratiques de lubrification
  • Contamination due à de mauvais joints d'étanchéité
  • Manipulation, installation et maintenance incorrectes
  • Utilité pour des charges plus lourdes ou différentes de celles spécifiées

La fréquence et l'étendue des dommages varient selon l'industrie et l'application. Par exemple, les roulements à rouleaux tombent en panne dans l'industrie de la pâte et du papier en raison de la contamination et d'une mauvaise lubrification, et non de la fatigue.

Ces événements laissent généralement une empreinte dommageable dans les chemins de roulement, appelée "path pattern damage". L'examen du composant permet aux utilisateurs de déterminer la cause profonde du dommage. Ils peuvent donc utiliser un extracteur de roulement pour retirer le roulement de l'arbre, l'examiner et prendre des mesures correctives pour éviter que le problème ne se reproduise.

Prenons, par exemple, le cas d'une contamination due à des joints inefficaces. Les particules se logent dans les poches des roulements le long des chemins de roulement. Un sur-roulement continu peut provoquer de fortes indentations dans les pistes de course. Lorsque le fonctionnement normal sollicite les zones en creux, il en résulte une fatigue de surface. Les boîtiers métalliques commencent à se détacher des chemins de roulement - un processus appelé écaillage. Si les utilisateurs ne remédient pas aux dommages, l'écaillage se poursuit jusqu'à ce que le roulement devienne inutilisable.

Modèle de calcul de la durée de vie

Les utilisateurs peuvent calculer la longévité des roulements à rouleaux à l'aide d'une formule appelée capacité dynamique du roulement, C. Elle fait référence à la charge radiale stationnaire standard qu'un roulement à éléments roulants peut supporter pour une durée de vie d'un million de révolutions cycliques.

Les industriels utilisent la capacité dynamique des roulements pour projeter la durée de vie nominale à une charge et des vitesses de roulement spécifiques. Les fabricants recommandent de soumettre un roulement à rouleaux à une charge de travail maximale égale à la moitié de la capacité du roulement. L' Organisation internationale de normalisation (ISO ) et l'American Bearing Manufacturers Association (ABMA) définissent les méthodes de calcul, qui prennent généralement en compte les dimensions internes des chemins de roulement et les éléments roulants.

Calcul de la durée de vie des roulements

la "durée de vie nominale" est la durabilité du roulement calculée pour une fiabilité de 90%. Elle est définie comme la durée pendant laquelle un groupe de rouleaux identiques terminera avant de développer des écailles de fatigue. La formule de calcul de base pour déterminer la durée de vie nominale du roulement (L10) est la suivante :

Équation d'évaluation des roulements

Figure 6 : Équation d'évaluation des roulements

Où :

  • C - Capacité dynamique (dN ou Lbs.)
  • P - Charge portante équivalente (N ou Lbs.)
  • N - Vitesse de rotation (RPM)
  • E - 10/3 (3.0 pour les roulements à billes)

Critères de sélection des roulements à rouleaux

Bien que les roulements à rouleaux soient des composants standardisés, les critères de sélection du bon roulement ne peuvent être établis que dans une certaine mesure, généralement en fonction des exigences de l'application. Les acheteurs doivent néanmoins tenir compte de l'une des principales dimensions du roulement, généralement le diamètre de l'alésage, en fonction de la conception et de la construction globales.

Aujourd'hui, l'informatisation du processus de conception permet aux fabricants de créer des roulements aux dimensions optimales. Cette technologie aide également les consommateurs à choisir les composants appropriés à utiliser dans diverses pièces de machines.

Lorsqu'ils recherchent le roulement approprié pour des applications spécifiques, les chefs de projet et les concepteurs doivent se concentrer sur les facteurs suivants :

  • Type et volume de la charge
  • Exigences de montage - espace d'installation et style de lubrification
  • La durée de vie fonctionnelle du roulement
  • Les paramètres de fonctionnement du roulement (vitesse et conditions thermiques)
  • Exigences de précision
  • Maintenance et entretien
  • Conditions ambiantes (vibrations, saleté, etc.)
  • Exigences relatives au montage et au démontage

Applications des roulements à billes

Roulements à rouleaux

Figure 7 : Roulements à rouleaux sur un arbre

Comme il existe différents types de roulements avec différentes configurations, ces composants offrent diverses propriétés, telles que les performances, la vitesse, la précision et la capacité de charge, à des niveaux variables. C'est pourquoi ils sont montés dans divers équipements et machines dans différents secteurs industriels. Voici quelques exemples d'applications largement utilisées des roulements :

  • Systèmes de fret aérien
  • Machines et équipements rotatifs à usage intensif
  • Secteur automobile
  • Matériel médical
  • Production d'énergie dans les turbines des centrales hydroélectriques
  • Panneaux solaires
  • Industrie agricole
  • Fabrication de pâte à papier et de papier
  • Raffinage du pétrole

FAQ - Foire aux questions

Les roulements à rouleaux peuvent-ils être remis à neuf ?

Oui, mais cela dépend. Il n'est pas économique de remettre à neuf les petits roulements. Cependant, les plus grands, dont le diamètre d'alésage est supérieur à 6 pouces, peuvent être rénovés avec des avantages économiques.

Comment puis-je m'assurer que je choisis le bon roulement à rouleaux pour mon application ?

Les fabricants recommandent de consulter un ingénieur en applications de roulements pour maximiser les performances et assurer la réussite du projet lors du choix de vos spécifications de conception.

Les roulements en acier inoxydable peuvent-ils empêcher la corrosion ?

Dans une certaine mesure, l'acier inoxydable n'est pas inoxydable mais résistant à la corrosion. Cela signifie qu'il rouille dans des conditions corrosives, mais beaucoup plus lentement que l'acier allié au chrome.

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