Un guide complet des roulements

Un guide complet des roulements

Roulements

Figure 1 : Roulements

Les roulements sont des pièces mécaniques qui aident à la rotation d'un objet, supportent des charges et réduisent le frottement entre les pièces mobiles. Ils sont disponibles dans une grande variété de modèles, chacun ayant ses propres caractéristiques qui les rendent adaptés à des applications spécifiques. L'une des applications les plus courantes des roulements est le support d'un arbre qui tourne à l'intérieur d'une pièce de machine. Presque toutes les applications qui doivent fonctionner par rotation utilisent des roulements d'une manière ou d'une autre, qu'il s'agisse de voitures, d'avions, de générateurs électriques, de turbines, d'équipements médicaux ou de montres. Cet article explore les différents types de roulements les plus courants sur le marché.

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Table des matières

Principes de base des roulements

Un roulement est utilisé pour des applications rotatives afin de transférer des charges entre les composants de la machine ou de guider des éléments de la machine comme les roues, les essieux et les arbres. Ils offrent un faible frottement, sont très précis et sont capables d'atteindre des vitesses de rotation élevées avec un faible niveau de bruit, de chaleur et de consommation d'énergie. Les roulements sont rentables, interchangeables et conformes aux normes internationales en matière de dimensions.

Roulements à rouleaux et à billes

Figure 2 : En raison des charges qui s'exercent sur le roulement (A), la ligne de contact (B) sur le chemin de roulement intérieur se déforme pour prendre une forme plus rectangulaire. Pour les roulements à billes, ce point de contact deviendra plus elliptique.

Figure 2 : En raison des charges qui s'exercent sur le roulement (A), la ligne de contact (B) sur le chemin de roulement intérieur se déforme pour prendre une forme plus rectangulaire. Pour les roulements à billes, ce point de contact deviendrait plus elliptique.

Les roulements peuvent être classés en deux catégories de base en fonction des éléments roulants qu'ils contiennent. La principale différence réside dans le contact entre les éléments roulants et les chemins de roulement.

  • Roulement à billes : Un roulement à billes est constitué de billes qui font un point de contact avec des chemins de roulement annulaires. Lorsque la charge sur le roulement augmente, la surface de contact du roulement devient elliptique. Les roulements à billes peuvent supporter des vitesses de rotation élevées grâce à leurs petites surfaces de contact, mais leur capacité à supporter des charges est réduite en raison de leur conception.
  • Roulement à billes : Dans les roulements, les rouleaux forment une ligne de contact avec les pistes de la bague. L'augmentation des charges fait que la ligne de contact devient plus rectangulaire, voir la figure 2. En raison de cette plus grande surface de contact, il peut supporter des charges plus lourdes mais tourne à une vitesse plus lente qu'un roulement à billes de taille similaire.

Pièces de roulement

Un roulement se compose de 4 éléments principaux, comme le montre la figure 3 :

Figure 3 : La conception de base d'un roulement à rouleaux (à gauche) et d'un roulement à billes (à droite) est la suivante : bague intérieure et chemin de roulement (A), éléments roulants (B), cage (C), bague extérieure et chemin de roulement (D), et le roulement complet (E).

  • Bague intérieure et chemin de roulement (A) : Le chemin de roulement intérieur est une bague plus petite située sur l'arbre. Il est positionné à l'intérieur du chemin de roulement extérieur (D).
    • Sur les roulements à rouleaux, le chemin de roulement est plat ou conique avec une bride qui maintient les rouleaux en place.
    • Sur les roulements à billes, une rainure est taillée dans sa circonférence extérieure.
  • Éléments roulants (B) : Les roulements peuvent tourner librement grâce aux billes ou aux rouleaux fixés entre les bagues intérieure et extérieure. S'ils n'étaient pas là, le frottement entre les bagues détruirait rapidement le roulement. Les billes et les rouleaux des roulements sont fabriqués selon des spécifications symétriques exactes, car un élément roulant asymétrique réduit les performances du roulement. Les éléments roulants sont fortement tributaires de la qualité de leur surface, car elle détermine la fluidité de leur rotation. Le frottement génère de la chaleur, ce qui réduit la durée de vie des roulements et augmente leur bruit.
  • Cage de roulement (C) : Une cage de roulement maintient les billes ou les rouleaux en place entre le chemin de roulement intérieur et extérieur. Cela garantit que les billes/rouleaux peuvent tourner librement, mais qu'ils conservent leur espacement.
  • Chemin de roulement extérieur (D) : Les roulements sont constitués d'un chemin de roulement extérieur et d'un chemin de roulement intérieur (bague) qui abrite les billes ou les rouleaux à l'intérieur.
    • Sur les roulements à rouleaux, le chemin de roulement extérieur est plat, sphérique ou conique, avec une bride qui maintient les rouleaux en place.
    • Sur les roulements à billes, une rainure est creusée le long de la circonférence intérieure du chemin de roulement afin que les billes soient maintenues en place.
  • Palier complet (E) : Lorsque tous les composants sont assemblés, ils constituent le roulement. Les éléments roulants peuvent être exposés, comme le montre la figure 3 (E), et ils nécessitent une lubrification adéquate pour fonctionner correctement. Les roulements peuvent être fournis avec des joints, qui protègent les éléments roulants de l'environnement et sont déjà lubrifiés. En savoir plus sur la lubrification des roulements.

Chargements

Lorsque l'on parle de roulements, il est important de parler des charges. Une charge est la force qui agit sur le roulement. Un roulement chargé subit actuellement des forces, alors qu'un roulement non chargé n'en subit pas. Divers facteurs de charge doivent être pris en compte, tels que la direction de la charge, le type de charge et les conditions de charge.

Direction de la charge

  • Charge radiale : La charge radiale est toute charge agissant à angle droit par rapport à l'axe du roulement (figure 4 gauche)
  • Charge axiale : La charge axiale ou de poussée est toute charge agissant le long de l'axe du roulement (figure 4, milieu).
  • Charge combinée : La charge combinée est une combinaison des composantes de la charge radiale et axiale (figure 4 droite).
charge radialecharge axialecharge combinée

Figure 4 : Charge radiale (à gauche), charge axiale ou de poussée (au milieu), et charge combinée (à droite).

Type de charge

  • Charges dynamiques : Ce sont les forces de rotation qui agissent sur le roulement lorsqu'il tourne. Ces charges provoquent l'usure du roulement.
  • Charges statiques : Une charge de pointe continue ou intermittente. En cas de charges statiques, la résistance du matériau du roulement est le facteur limitant.

Condition de charge

  • Charge constante : Sous une charge constante, la direction de la charge ne change pas et la même partie du roulement est constamment soumise à la charge, également appelée zone chargée.
  • Charge alternée :En cas de charge alternée, les zones adjacentes du roulement sont alternativement chargées et déchargées.

Roulements à billes

Les roulements à billes se composent de différentes catégories de roulements à billes, qui sont présentées ci-dessous :

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Roulements à billes à gorge profonde

Les billes des roulements à billes à gorge profonde sont maintenues en place par des rainures profondes sur les chemins de roulement et peuvent supporter des charges radiales et axiales. Ils conviennent à des vitesses de rotation très élevées, offrent un faible frottement, créent un bruit et des vibrations minimes, sont faciles à installer et nécessitent moins d'entretien que les autres types de roulements. Consultez notre sélection en ligne de roulements à billes à gorge profonde.

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Cette image montre les différentes parties des roulements à billes à gorge profonde. Le chemin de roulement à billes à gorge profonde est visible à l'extérieur de la bague intérieure, représentée à l'extrême droite.

Figure 5 : Cette image montre les différentes parties des roulements à billes à gorge profonde. Le chemin de roulement à rainure profonde est visible à l'extérieur de la bague intérieure, illustrée à l'extrême droite.

Roulements à billes à contact oblique

Les chemins de roulement des bagues intérieure et extérieure de ces roulements sont décalés l'un par rapport à l'autre, comme le montre la figure 6. Par conséquent, ces roulements sont conçus pour supporter simultanément des charges radiales et axiales. En outre, la capacité de charge axiale du roulement augmente avec l'angle de contact. Les roulements à billes à contact oblique doivent être utilisés pour une haute précision, des vitesses élevées et des charges axiales, que l'on retrouve dans les boîtes de vitesses, les pompes et les applications de machines-outils.

Méthodes de montage des roulements à contact angulaire à une rangée : dos à dos (A), face à face (B) et tandem (C). La distance entre le centre du roulement et le point de charge (D).

Figure 6 : Méthodes de montage des roulements à contact angulaire à une rangée : dos à dos (A), face à face (B) et tandem (C). La distance entre le centre du roulement et le point de chargement (D).

Roulements à billes à contact oblique à une rangée

Ils supportent des charges axiales dans un seul sens, c'est pourquoi les roulements à billes à contact oblique à une rangée sont généralement installés en mettant deux roulements à billes à contact oblique à une rangée dos à dos, face à face ou en tandem. Il est donc possible de tenir compte de forces directionnelles multiples. Les roulements sont bloqués en place à l'aide d'un collier de blocage, afin d'éviter tout glissement le long de l'axe.

  • Dos à dos En montant les roulements de cette manière, ils peuvent supporter des charges radiales et axiales dans toutes les directions. La distance entre le centre du roulement et le point de chargement étant plus grande que celle des autres méthodes de montage, elle peut supporter des forces de charge momentanées et alternées importantes.
  • Face à face : Grâce à cette séquence de montage, le roulement peut supporter des charges radiales et axiales dans les deux sens. Cependant, comme la distance entre le centre du roulement et le point de chargement est plus petite avec ce montage, la capacité de force momentanée et alternée est plus faible.
  • Tandem : Un support tandem peut supporter des charges axiales unidirectionnelles ainsi que des charges radiales. Comme les charges sur l'axe sont reçues par les deux roulements, il peut supporter de lourdes charges axiales.

Roulements à billes à contact oblique à double rangée

La disposition à double rangée de roulements à billes à contact angulaire est similaire à celle de deux roulements à billes à contact angulaire à une rangée placés dos à dos, mais nécessite moins d'espace axial. En plus des charges radiales et axiales, ils sont également capables d'absorber des moments de basculement.

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roulement à contact angulaire simpleroulement à contact angulaire double

Figure 7 : Roulement à billes angulaire simple (gauche) et double (droite)

Roulements à billes à alignement automatique

Les roulements à billes auto-alignants sont utilisés lorsqu'une application est susceptible de souffrir d'un désalignement ou d'une déviation de l'arbre. Il comporte deux rangées de billes qui se partagent le chemin de roulement sphérique extérieur, tandis que la bague intérieure comporte deux chemins de roulement à rainures profondes à contact angulaire. Les billes étant maintenues en place dans le chemin de roulement intérieur, mais disposant d'une certaine liberté de mouvement sur le chemin de roulement extérieur, le roulement est capable de fonctionner même lorsqu'il n'est pas aligné avec l'arbre. Cependant, ils ne peuvent pas s'adapter aux applications à forte charge.

Consultez notre sélection en ligne de roulements à billes auto-alignants.

Roulement à billes à alignement automatique

Figure 8 : Roulement à billes à alignement automatique

Roulements à billes

Les butées à billes sont utilisées pour les charges axiales. Il existe deux modèles principaux : à sens unique et à double sens.

  • Les butées à billes à simple effet sont constituées de deux bagues, appelées rondelles-arbre et rondelles-logement, et d'une seule cage à billes. Ils ne peuvent supporter des charges axiales que dans un sens, en fonction de l'emplacement de la bride sur le chemin de roulement intérieur, extérieur ou les deux.
  • Les butées à billes à double effet sont composées de trois rondelles et de deux cages à billes. La rondelle d'arbre sépare les ensembles bille et cage. Ces roulements ont été conçus pour être utilisés avec des charges axiales et ne sont pas adaptés aux charges radiales. Ils peuvent supporter des charges axiales dans les deux sens.

Lire notre Guide des roulements à billes pour plus d'informations.

Consultez notre sélection en ligne de butées à billes.

Roulement à billes de butée simple avec le logement et les rondelles d'arbre, et l'ensemble billes et cage.

Figure 9. Roulement à billes de butée simple avec le logement et les rondelles d'arbre, et l'ensemble billes et cage.

Roulements à rouleaux

Au sein de la catégorie des roulements à rouleaux, ils font l'objet d'autres catégories que nous abordons dans les sections suivantes.

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Roulements à rouleaux sphériques

Les roulements à rouleaux sphériques sont utilisés pour des charges radiales et axiales importantes. Deux modèles principaux sont disponibles : les roulements à rouleaux sphériques à une rangée et à deux rangées. Ces roulements tirent leur nom de la forme sphérique du chemin de roulement extérieur et de la forme sphérique des rouleaux.

roulement à rouleaux sphériques à double rangéeroulement à rouleaux sphériques à une rangée

Figure 10. Un roulement à rouleaux sphériques à double rangée (à gauche) comporte un chemin de roulement sphérique sur la bague extérieure et un chemin de roulement angulaire à double rainure sur la bague intérieure, avec une cage qui maintient les roulements en place. Un roulement à rouleaux sphériques à une rangée (à droite) possède un chemin de roulement sphérique sur les deux bagues.

Ces roulements sont particulièrement adaptés aux applications sujettes à des désalignements ou à des déviations d'arbres. En raison de leur capacité de charge élevée et de leur aptitude à s'accommoder d'un désalignement, ils ont un faible coût de maintenance et une durée de vie généralement plus longue. Ces roulements sont utilisés sur les convoyeurs, les ponts et les grues, les papeteries et les boîtes de vitesses, etc.

Consultez notre sélection en ligne de roulements à rouleaux sphériques.

Figure 11 : Roulement à rouleaux sphériques à double rangée

Figure 11. Roulement à rouleaux sphériques à double rangée

Roulements à rouleaux cylindriques

Les roulements à rouleaux cylindriques sont utilisés pour les applications à grande vitesse et à forte charge radiale. En plus d'être rectifiés pour assurer un contact maximal avec le chemin de roulement, leurs éléments roulants sont précisément couronnés pour éviter la charge sur les bords due à un mauvais alignement de l'arbre. Ils offrent une grande rigidité, une faible friction et une longue durée de vie. Ces roulements peuvent également supporter un déplacement axial si le roulement a été équipé de flasques sur les bagues intérieure et extérieure. Deux modèles principaux sont disponibles : les roulements à rouleaux cylindriques à une rangée et à deux rangées.

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Roulement à rouleaux cylindriques à double rangée

Figure 12. Roulement à rouleaux cylindriques à double rangée

Roulements à rouleaux coniques

Les roulements à rouleaux coniques sont de conception similaire aux roulements à rouleaux sphériques. Dans les roulements à rouleaux coniques, les chemins de roulement intérieurs et extérieurs sont coniques, tout comme les rouleaux. Ces roulements peuvent être utilisés pour les charges radiales et axiales les plus lourdes dans des applications sujettes à des désalignements ou à des déviations d'arbres. La capacité de charge élevée et la possibilité de s'accommoder d'un désalignement permettent d'obtenir de faibles coûts de maintenance et une durée de vie plus longue des roulements. Deux modèles principaux sont disponibles : les roulements à rouleaux coniques à une rangée et à deux rangées.

Consultez notre sélection en ligne de roulements à rouleaux coniques.

Roulements à rouleaux coniques

Figure 13. Roulements à rouleaux coniques

Roulements à rouleaux de butée

Comme pour les butées à billes, il existe plusieurs types de butées à rouleaux qui peuvent être à sens unique ou à double sens. Les butées à rouleaux standard sont destinées à supporter des charges axiales plus importantes que les butées à billes, mais ne doivent pas être exposées à des charges radiales. Cependant, les butées à rouleaux coniques et les butées à rotule peuvent supporter des forces radiales et axiales.

  • La conception à sens unique se compose de deux bagues, appelées rondelles d'arbre et de logement, et d'un seul ensemble bille et cage.
  • La conception à double sens consiste en un assemblage de trois rondelles et de deux jeux de billes et de cages. La rondelle d'arbre sépare ces assemblages.
Palier de butée à rouleauxpalier de butée sphériquepalier de butée conique

Figure 14 : Palier de butée à rouleaux (gauche), palier de butée sphérique (milieu) et palier de butée conique (droite)

Roulements à aiguilles de butée

Les roulements à aiguilles de butée sont conçus pour des vitesses extrêmement élevées, mais uniquement pour des forces axiales. Souvent, les pièces adjacentes de la machine servent de chemins de roulement, comme les assemblages d'engrenages. Cela signifie que le roulement ne prend pas plus de place qu'une rondelle. Ces roulements peuvent supporter des charges axiales importantes et des charges de pointe, car les rouleaux d'un même ensemble présentent des écarts de diamètre très faibles. Pour éviter les pics de contrainte, un léger relief est généralement prévu aux extrémités des rouleaux pour modifier la surface de contact entre le chemin de roulement et les rouleaux.

Roulements à aiguilles de butée

Figure 15 : Roulements à aiguilles de butée

Désignations spéciales des roulements

Plusieurs codes et désignations existent pour déterminer les différentes conceptions et caractéristiques des roulements. Ces codes et désignations comprennent la désignation des roulements à alésages coniques (affectés de la lettre K dans les roulements SKF), pour les roulements renforcés, la lettre E est généralement utilisée, et il en existe bien d'autres. Malheureusement, tous les fabricants n'utilisent pas les mêmes suffixes et caractéristiques de conception. Pour bien comprendre cela, lisez notre guide sur les numéros de pièces des roulements.

Roulements cylindriques N/NJ/NU/NUP

Un domaine qui est généralement le même dans le monde entier est celui des différentes désignations pour le placement des brides sur les roulements. Ces brides sont destinées à faire face aux charges radiales appliquées aux roulements.

  • NU : Sur le chemin de roulement extérieur de ces roulements se trouvent deux brides usinées, mais il n'y a pas de brides sur le chemin de roulement intérieur. Les éléments roulants et les cages sont assemblés dans le chemin de roulement extérieur. Ce roulement ne peut pas supporter de charges de poussée en raison de l'absence de rebords dans le chemin de roulement intérieur.
  • N Il y a deux brides sur le chemin de roulement intérieur, pas de brides sur le chemin de roulement extérieur, et des rouleaux et des cages sur le chemin de roulement intérieur de ces roulements. Le chemin de roulement extérieur de ce roulement n'a pas de rebords, il ne peut donc pas supporter de charges de poussée.
  • NJ : Une bride usinée est située sur un côté du chemin de roulement interne, et deux brides sont situées sur le chemin de roulement externe. Un ensemble de rouleaux et de cages est situé à l'intérieur du chemin de roulement extérieur. Le chemin de roulement intérieur étant doté d'une bride intégrée, ce roulement peut supporter des charges axiales et des charges de poussée limitées.
  • NUP : Les roulements de ce type sont similaires aux roulements de type NJ mais possèdent un chemin de roulement unique, souvent appelé collet de butée. Un collier de butée est monté sur le côté non bridé du chemin de roulement intérieur pour supporter une charge axiale dans les deux sens. La bague de butée sort du roulement d'un côté, de sorte que le diamètre du chemin de roulement intérieur est légèrement supérieur à celui du chemin de roulement extérieur.
Exemples de placement de bride sur des roulements où (A) est le chemin de roulement extérieur, (B) est le roulement et (C) est le chemin de roulement intérieur.

Figure 16 : Exemples de placement de bride sur des roulements où (A) est le chemin de roulement extérieur, (B) est le roulement et (C) est le chemin de roulement intérieur.

Critères de sélection des roulements

Vous trouverez ci-dessous les critères de sélection des roulements à prendre en compte pour les applications :

  • Espace disponible : Le diamètre d'alésage d'un roulement, l'une des principales dimensions, est généralement déterminé par la conception de la machine et le diamètre de son arbre. Les arbres de petit diamètre peuvent être équipés de tout type de roulement à billes. Outre les roulements à billes à gorge profonde, les roulements à aiguilles peuvent également être utilisés. Les roulements pour arbres de grand diamètre comprennent les roulements à billes cylindriques, coniques, sphériques et à gorge profonde. Dans les situations où l'espace radial est limité, les roulements de petite section sont préférables.
  • Chargements : La taille d'un roulement est généralement déterminée par l'ampleur de la charge. En général, les roulements à rouleaux supportent des charges plus lourdes que les roulements à billes de taille similaire, et les roulements avec un complément complet d'éléments roulants peuvent supporter des charges plus lourdes que les roulements en cage. En général, les roulements à billes supportent des charges légères à modérées. Les roulements à rouleaux sont généralement le choix le plus approprié lorsque les roulements doivent supporter de lourdes charges ou lorsque les diamètres des arbres sont importants.
  • Désalignement : Les désalignements sont causés par la flexion des arbres sous charge, lorsque les sièges des roulements ne sont pas usinés à la même hauteur ou lorsque les roulements sont trop espacés. Les roulements à billes à gorge profonde ainsi que les roulements à rouleaux cylindriques ne peuvent accepter aucun désalignement ou seulement des désalignements mineurs, à moins qu'ils ne soient forcés. Les roulements à alignement automatique, tels que les roulements à rouleaux sphériques et les butées à rouleaux sphériques, peuvent s'adapter à un désalignement et compenser le désalignement initial causé par des erreurs d'usinage et de montage.
  • La précision : Les montages qui exigent une grande précision de fonctionnement et les applications qui requièrent des vitesses très élevées nécessitent des roulements d'une plus grande précision. C'est généralement le cas dans les applications médicales et aérospatiales. Les roulements de haute précision sont généralement fabriqués selon les normes relatives aux roulements à billes à gorge profonde ou aux roulements à contact angulaire, mais leurs tolérances sont beaucoup plus faibles que celles des roulements standard.
  • Vitesse La vitesse d'un roulement est limitée par la température de fonctionnement admissible. Pour les opérations à grande vitesse, les roulements à faible frottement et, par conséquent, à faible dégagement de chaleur à l'intérieur sont les plus appropriés. Les paliers de butée, de par leur conception, ne peuvent pas supporter une vitesse aussi élevée que les paliers radiaux.
  • Fonctionnement silencieux : Selon l'application, par exemple les petits moteurs électriques pour les appareils ménagers ou les machines de bureau, le bruit généré en fonctionnement peut influencer le choix du roulement. Un type particulier de roulement à billes à gorge profonde avec une cage en laiton est produit pour ces applications. Ces roulements ont plus d'espace entre les chemins de roulement, ce qui permet de placer une plus grande quantité de lubrifiant à l'intérieur du roulement, ce qui atténue les niveaux de bruit.
  • Rigidité : La rigidité d'un roulement est déterminée par l'ampleur de sa déformation élastique sous charge. Comme les déformations sont généralement minimes, elles peuvent généralement être négligées. La rigidité des paliers de broche ou des paliers de pignon est essentielle. Les roulements à rouleaux ont un degré de rigidité plus élevé que les roulements à billes en raison des conditions de contact entre les éléments roulants et les chemins de roulement. Cependant, cette déformation joue un rôle dans la lubrification. Dans un régime de lubrification hydro-élastique, cette déformation est un effet favorable. Pour en savoir plus, consultez notre guide de tribologie.
  • Montage et démontage : Lorsque les roulements à alésage cylindrique sont de conception séparable, ils peuvent être montés et démontés plus efficacement, en particulier si des ajustements serrés sont nécessaires sur les deux bagues. Si des montages et démontages fréquents sont nécessaires, les roulements séparables sont préférables car chaque bague de roulement peut être montée indépendamment de l'autre. Les roulements à alésage conique peuvent facilement être montés sur une portée d'arbre cylindrique ou un tourillon conique à l'aide d'un adaptateur ou d'un manchon de retrait. Pour en savoir plus sur l'installation des roulements, consultez notre article sur les extracteurs de roulements.

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