Un guide complet des roulements à billes

Un guide complet des roulements à billes

Roulement à billes à alignement automatique

Figure 1 : Roulement à billes à alignement automatique

Le roulement à billes moderne est un joint circulaire qui relie une partie rotative à une autre partie, généralement fixe, d'une machine. Il permet à la partie rotative de donner ou de recevoir un support structurel tout en réduisant de manière significative la quantité de friction causée par la rotation, et la Figure 1 en montre un exemple.

En général, la partie tournante est un arbre qui s'adapte parfaitement à l'intérieur du cercle intérieur, appelé bague. Lorsque la pression est exercée perpendiculairement à la longueur de l'arbre, comme le poids d'une voiture qui appuie sur l'essieu central de la voiture, le roulement est appelé roulement radial. Si la pression est exercée sur toute la longueur de l'arbre, le roulement est un roulement axial.

Table des matières

Composants des roulements à billes

Vue éclatée d'un roulement à billes

Figure 2 : Vue éclatée d'un roulement à billes

Les roulements à billes se composent de deux pistes circulaires rainurées, taillées dans de courts cylindres creux, appelés chemins de roulement, qui prennent en sandwich un ensemble de billes, également appelées rouleaux de roulement à billes. Lorsque la bague intérieure tourne, les billes situées entre elle et la bague extérieure commencent à rouler, ce qui réduit considérablement le frottement entre elles.

Ces boules sont parfois espacées les unes des autres par un dispositif de retenue, également appelé cage, qui est une série de harnais circulaires qui entourent chaque boule et se connectent de manière rigide au harnais de la boule suivante, maintenant une distance fixe entre elles lorsqu'elles roulent.

Étant donné que la douceur des pistes et des billes et leur capacité à rouler librement est ce qui permet à la rotation de se produire sans beaucoup de friction, les débris ne doivent pas être autorisés sur la piste rainurée, où ils pourraient empêcher une bille de rouler ou causer des rayures ou des bosses, ce qui entraînerait la défaillance du roulement. C'est pourquoi la plupart des roulements à billes sont équipés de joints ou de boucliers qui isolent l'espace rainuré entre les billes du reste de l'environnement de la machine. La Figure 3 montre divers roulements blindés, étanches et ouverts.

Paliers blindés, étanches et ouverts

Figure 3 : Roulements blindés, étanches et ouverts

Que le roulement soit étanche ou ouvert, il est courant que des lubrifiants, tels que de la graisse ou de l'huile, soient répartis sur les billes et les pistes afin de garantir que les billes tournent librement et de permettre à une bille temporairement bloquée de glisser en douceur contre les rainures.

Les surfaces extérieures des courses peuvent avoir des structures supplémentaires, telles que des trous de vis qui leur permettent de se fixer à d'autres parties de la machine. Cependant, la plupart des roulements sont fixés par des anneaux en forme de C, appelés anneaux d'arrêt, ou sont dimensionnés avec une telle précision qu'ils s'insèrent parfaitement dans leur logement et se serrent fermement sur l'arbre sans nécessiter de support supplémentaire.

Types de roulements à billes

Les roulements à billes sont nommés en fonction des caractéristiques de leur conception physique. En comprenant leur conception, on peut apprécier la relation logique entre la conception, le nom et la capacité de charge de chacun des types de roulements à billes suivants.

Roulements à billes à gorge profonde

Les roulements à billes à gorge profonde ont des rainures plus profondes que certaines autres solutions. Par conséquent, les parois de ces rainures entourent une plus grande partie de chaque balle.

Comme les billes sont plus complètement entourées, elles ont plus de surface de paroi contre laquelle elles peuvent rouler et transférer des charges dans plus de directions. Par exemple, la pression exercée sur la longueur de l'arbre depuis la gauche sera transférée aux parois gauches du chemin de roulement interne, qui appuieront sur les billes, lesquelles pousseront contre les bords droits du chemin de roulement externe, qui finalement appuieront contre une partie rigide de la machine plus grande. Pour cette raison, un roulement à billes à gorge profonde convient pour supporter des charges axiales à gauche et à droite, en plus des charges radiales. Souvent, ils portent les deux types simultanément, auquel cas nous disons qu'ils fonctionnent comme des roulements radiaux-axiaux.

Roulements à billes à contact oblique

Les roulements à billes à contact oblique présentent des rainures asymétriques, car une paroi de la rainure est plus longue que l'autre. La division la plus étendue dépend de l'autre race, l'essentiel étant que les murs les plus longs de chaque race s'opposent. Par exemple, si la paroi gauche du chemin de roulement extérieur descend plus bas, alors la paroi droite du chemin de roulement intérieur doit remonter plus haut, et vice versa, comme sur la Figure 4.

Roulement à billes angulaire simple

Figure 4 : Roulement à billes angulaire simple

Cela permet aux roulements de supporter une pression axiale sur toute la longueur de l'arbre dans le sens de l'opposition de la paroi longue. Bien entendu, les bagues intérieure et extérieure continuent à enserrer les billes par le haut et par le bas, garantissant ainsi le maintien de la pression radiale. Par conséquent, les roulements à billes à contact oblique atteignent une capacité de charge radiale-axiale similaire à celle des roulements à billes à gorge profonde, mais uniquement dans le sens de l'opposition de la paroi longue.

Lorsque les roulements doivent supporter des charges axiales dans les deux sens, un deuxième roulement à contact angulaire est parfois inversé et installé à côté du premier. Cela permet à un seul palier d'assurer l'opposition des murs longs dans deux directions. Cependant, cet arrangement prend l'essieu supplémentaire et l'espace de dégagement. Un roulement à contact angulaire à deux rangées est souvent préféré.

Un roulement à contact oblique à deux rangées se compose de deux rangées de billes, séparées par une longue paroi intérieure qui dépasse de la bague extérieure. Chaque rangée de billes est maintenue en place de l'autre côté par une longue paroi partant du chemin de roulement interne. La pression axiale de l'arbre est exercée, par l'intermédiaire des billes, sur la longue paroi intérieure du chemin de roulement extérieur, fixé à une structure plus grande de la machine.

Comme vous pouvez le voir sur la Figure 5, cette conception est en fait un système de deux roulements à contact angulaire à une rangée qui ont été structurellement unifiés et consolidés.

double roulement à billes angulaire

Figure 5 : Roulement à billes angulaire double

Roulements à billes

Contrairement aux types précédemment évoqués, qui ont tous des bagues intérieures et extérieures, les butées à billes ont des bagues gauche et droite, dont les rainures prennent en sandwich les billes dans les directions gauche et droite. Ils sont donc plus aptes que les autres à supporter les charges axiales, car ce sont les centres des rails, plutôt que de simples murs extra-longs, qui retiennent les billes dans ces directions, comme le montre la Figure 6.

Cependant, étant donné que les rainures ne s'étendent pas jusqu'à entourer une partie suffisamment importante des parties supérieure et inférieure des billes, les charges radiales importantes ne sont pas supportées et ces roulements sont susceptibles de s'effondrer si une telle force est exercée.

Roulement à billes

Figure 6 : Roulement à billes

Roulements de butée à une rangée

Un palier de butée à une rangée ne comporte qu'une seule rangée de billes et convient aux applications où les charges axiales se produisent dans une seule direction.

Pour supporter la rotation, une seule des bagues est fixée à l'arbre, tandis que l'autre a un diamètre d'alésage plus grand, permettant à l'arbre de la traverser avec un certain jeu. Lorsque l'arbre tourne, la bague à laquelle il est fixé tourne également, ce qui fait que les billes roulent entre la bague et l'autre bague, fixée en place sur la machine.

Lorsque l'arbre est fixé à la bague gauche, une pression axiale est exercée à travers l'arbre et est soutenue par les billes et la bague à sa droite. Mais si la pression axiale est exercée de la droite vers la gauche, le chemin de roulement gauche ne sera pas soutenu par la structure du roulement et sera simplement repoussé du reste du roulement, qui risque de se briser.

Roulements de butée à deux rangées

Les butées à deux rangées sont constituées de deux rangées de billes prises en sandwich entre trois bagues. Dans ce modèle, la bague centrale est fixée à l'arbre, qui passe avec un certain jeu dans les alésages plus larges des bagues extérieures. Par conséquent, la pression axiale exercée dans l'une ou l'autre direction est supportée par la rangée de billes et la bague extérieure du côté opposé.

Paliers de butée sphériques et paliers de butée plats

La surface de la bague qui rencontre le logement peut être plate ou sphérique. Lorsque la surface est plane, elle doit être à fleur du logement, ne laissant aucune place à un désalignement entre l'arbre, le roulement et le logement. Cependant, lorsque la surface est sphérique, elle repose dans le logement comme une balle dans une douille, ce qui fait que l'arbre est légèrement désaligné par rapport au logement pendant l'installation et le fonctionnement.

Roulements à billes à alignement automatique

Roulement à billes à alignement automatique

Figure 7 : Roulement à billes à alignement automatique

Les roulements à billes à alignement automatique comportent souvent deux rangées de billes au lieu d'une seule, ce qui fournit deux rangées de points de contact contre les rainures des chemins de roulement. L'une des courses maintient ces rangées séparément grâce à une double rainure, tandis que l'autre possède une piste extra-large qui couvre les deux rangées, comme le montre la Figure 7.

Si l'angle entre la longueur de l'arbre et le plan du roulement s'éloigne légèrement d'un angle droit parfait, l'une des rangées de billes sera toujours alignée avec le centre de la rainure de la bague extérieure. L'alignement fournit un support radial continu et robuste jusqu'à ce que l'arbre retrouve son angle droit correct.

Les roulements de cette conception sont souvent utilisés lorsque les conditions d'installation rendent difficile l'obtention d'un angle droit parfait entre l'arbre et les roulements. La conception auto-alignante supportera avec succès les charges radiales avec un angle presque droit.

Paliers en Y

Les roulements en Y sont des roulements à billes dont la bague intérieure est extra-longue et s'étend comme un petit tuyau des deux côtés du roulement. Ces extensions fournissent deux trous de vis pour fixer les vis de réglage dans les trous de vis correspondants sur l'arbre. Si deux bâtons étaient introduits dans les trous de vis du roulement jusqu'à ce qu'ils se touchent, ils formeraient un angle de 120 degrés et pourraient ressembler à la partie supérieure d'un "Y", c'est pourquoi ces roulements sont appelés roulements en Y. Cette conception à trous de vis permet d'installer ces roulements sur des arbres déjà en place. Bien que cette méthode de fixation soit pratique, sa capacité de charge axiale est limitée.

Roulements à section mince

Les roulements à section mince ont des bagues particulièrement fines, avec des rainures plus étroites et pouvant accueillir des billes de plus petite taille. La diminution de la largeur et de la taille des billes nécessite moins de matériau, ce qui réduit le poids et la taille globale des roulements, ce qui peut entraîner une baisse des coûts d'exploitation. Toutefois, la petite taille des billes réduit la surface de contact, de sorte que la capacité de charge globale est limitée. Par conséquent, les roulements à section mince sont les plus adaptés aux instruments de précision, où l'espace est limité et où les charges radiales ne sont pas très lourdes, comme les équipements médicaux ou les machines astronomiques.

Remplacement des roulements à billes

Lorsqu'un roulement à billes a atteint la durée de vie prévue par la formule des heures de travail ou présente des signes de dégradation du matériau, comme un bruit ou une chaleur excessifs, les propriétaires doivent l'inspecter. S'il s'agit d'un roulement ouvert, il faut d'abord évaluer l'état du lubrifiant, puis retirer les billes des bagues et nettoyer soigneusement les surfaces. Enfin, les propriétaires doivent laver soigneusement les surfaces et les inspecter pour détecter toute usure ou anomalie. S'il s'agit d'un roulement scellé ou blindé de façon permanente, les utilisateurs doivent fournir un couple initial et observer le roulement en rotation libre. En fonction du résultat de l'inspection appropriée, les propriétaires doivent remplacer le roulement.

Comme un roulement à billes est un joint structurel, son retrait nécessite souvent un support temporaire qui maintiendra les pièces de la machine que le roulement à billes relie. Par exemple, les roulements de roue d'une voiture relient solidement l'essieu central aux roues et maintiennent le poids de la voiture au-dessus de la surface de roulement. Tout d'abord, il est nécessaire de soutenir le véhicule avec un cric ou un support similaire pour remplacer les roulements de roue.

Souvent, un boîtier sécurisé entoure le roulement et est fixé à la machine plus grande. Il est donc nécessaire de retirer toutes les pièces du boîtier, ce qui empêche l'accès au roulement. Dans le cas d'une voiture, le moyeu de la roue abrite le roulement de roue, qui peut être recouvert d'une protection métallique. La Figure 8 montre un roulement de roue dans son logement.

Roulement de roue

Figure 8 : Roulement de roue

Une fois que le roulement est accessible, il faut le presser ou l'extraire de son logement. Comme il est conçu pour s'adapter parfaitement, il est généralement nécessaire d'utiliser un outil spécialisé, tel qu'un extracteur de roulement ou une presse, pour faire pression sur le roulement contre son logement. Il est également possible de percer le joint du roulement et d'extraire la bague intérieure, les billes, puis la bague extérieure. La Figure 9 montre un exemple d'extracteur de roulement utilisé dans un atelier automobile.

Extracteur de roulements

Figure 9 : Extracteur de roulements

Une fois que l'utilisateur a retiré l'ancien roulement, il doit également nettoyer les parois internes du logement. Il doit inspecter l'ensemble de la structure pour vérifier qu'il n'y a pas d'abrasions, de déformations ou d'autres types de dommages qui pourraient nuire à sa capacité à maintenir le nouveau roulement en toute sécurité.

Après inspection, le nouveau roulement doit être pressé uniformément dans le logement jusqu'à ce qu'il soit bien ajusté et entièrement en place. Ensuite, le propriétaire doit replacer et fixer les couvercles ou les boîtiers qu'il a retirés en faisant glisser la bague intérieure du roulement nouvellement installé sur un arbre.

Si le roulement n'est pas prélubrifié, il doit être lubrifié à ce stade avec le lubrifiant approprié. La quantité d'huile ou de graisse à appliquer doit être déterminée avec soin. Une quantité insuffisante entraîne un frottement excessif, tandis qu'une quantité excessive peut provoquer une accumulation de chaleur nuisible dans le lubrifiant pendant le fonctionnement. Une fois que la quantité appropriée de lubrifiant a été déterminée, l'applicateur doit être appliqué au point de contact entre les cages et les courses.

Lubrification des roulements

Figure 10 : Lubrification des roulements

Après avoir lubrifié le roulement, assurez-vous qu'il tourne correctement. Lorsqu'il est clair que le nouveau roulement tourne correctement, il est temps de retirer le support temporaire et de laisser le roulement supporter la charge de la machine. Une fois encore, les utilisateurs doivent tester le fonctionnement du roulement. Une fois l'opération confirmée, le roulement à billes a été remplacé avec succès.

Critères de sélection des roulements à billes

Pour choisir un roulement à billes, il faut d'abord consulter les références officielles de la machine visée. La vérification des références officielles permet de s'assurer que le roulement choisi est conforme aux spécifications recommandées par les ingénieurs qui ont conçu la machine. Si cette documentation n'est pas disponible, vous pouvez trouver des fournisseurs de pièces qui garantissent la compatibilité de leurs pièces. Si ces options ne sont pas disponibles, il faut choisir un roulement en fonction des critères suivants.

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Les principales considérations lors de la sélection d'un roulement sont les directions et les quantités de charge de fonctionnement prévues. Pour les déterminer, il peut être nécessaire d'avoir une connaissance approfondie de la machine, de son fonctionnement prévu et des caractéristiques physiques pertinentes.

Si seules des charges radiales sont impliquées, un roulement standard à bague intérieure et extérieure peut être utilisé. Si elle est uniquement axiale, une butée est probablement le meilleur choix. Cependant, les roulements à gorge profonde ou à contact oblique sont probablement nécessaires si des charges radiales-axiales doivent être supportées.

Lorsque des charges axiales sont impliquées, il est essentiel de préciser si elles se produisent dans une seule direction ou dans les deux. Les roulements à contact angulaire à une rangée ou les butées peuvent convenir pour des charges axiales unidirectionnelles. Mais, pour les charges axiales dans les deux sens, il faut utiliser des roulements à contact angulaire à deux rangées, des butées à deux rangées ou des roulements à gorge profonde. Pour en savoir plus sur les charges, consultez notre présentation des roulements.

Taille

Le diamètre de sa bague extérieure indique généralement la taille d'un roulement à billes, le diamètre de sa bague intérieure, également appelé taille de l'alésage, et sa largeur.

Diamètre extérieur

Le diamètre de la bague extérieure doit assurer un ajustement serré dans le logement ou bien rester dans les limites de l'espace libre.

Diamètre intérieur

La taille correcte de l'alésage doit permettre au roulement de serrer l'arbre par frettage. Ce processus implique de chauffer soigneusement le roulement, de le presser sur l'arbre et de le refroidir pour le ramener à sa taille.

Largeur

La largeur des bagues doit s'adapter à l'espace disponible sur l'essieu, entre les rainures des circlips et les parois de l'arbre qui peuvent être présentes. Lorsque la distance axiale est limitée, il peut être nécessaire d'envisager des roulements à section mince ou des conceptions exclusives.

La gamme des tailles de roulements disponibles comprend l'un des plus petits roulements à billes au monde, avec un diamètre extérieur inférieur à 1,5 millimètre. Il est si petit qu'il peut tenir confortablement sur un grain de riz. Ce roulement est destiné à être utilisé dans des équipements médicaux ou dentaires, tels qu'une perceuse, où il peut permettre à une mèche de tourner rapidement sans vaciller lorsqu'elle perce précisément une dent ou un os. À l'autre extrémité du spectre se trouve un énorme roulement à billes d'un diamètre extérieur de plus de 1,80 m et d'une capacité de charge dynamique de plus de 280 000 livres.

Alignement de l'arbre

Si les conditions d'installation permettent (1) un angle droit parfait entre l'arbre et le plan du roulement et (2) que l'arbre n'est pas sujet à un désalignement pendant le fonctionnement, un roulement à billes standard devrait être suffisant. Toutefois, un roulement à alignement automatique doit être choisi si les conditions d'installation rendent difficile un alignement parfait ou si l'arbre est sujet à un désalignement temporaire pendant le fonctionnement. Il s'agit notamment des roulements à alignement automatique à deux rangées et des roulements avec rondelles de logement sphériques, tels que les butées sphériques.

Vitesse

La vitesse moyenne à laquelle le roulement tournera pendant le fonctionnement est un autre facteur critique qui doit être déterminé. Cette vitesse peut être déterminée à l'aide de relevés de capteurs ou de calculs basés sur les dimensions de la machine et sa cadence de production.

Matériau

Toutes choses égales par ailleurs, les conditions de l'environnement de fonctionnement et la capacité de charge dynamique doivent déterminer le matériau du roulement.

Environnement opérationnel

Des facteurs tels que les débris, les éléments corrosifs, les températures de fonctionnement et la présence de courant électrique doivent avoir un effet limitatif sur les options de matériaux envisagées. Les utilisateurs préfèrent généralement les roulements en céramique à leurs homologues en acier dans les températures de fonctionnement extrêmes et les environnements hautement corrosifs ou chargés en électricité. Les projets aérospatiaux utilisent souvent ce matériau en raison de sa durabilité. Cependant, si des débris sont probables et que l'écaillage de la céramique est un problème, une composition hybride de billes en céramique et de bagues en acier peut être préférable.

Capacité de charge dynamique

Le matériau du roulement doit être choisi de manière à garantir une capacité de charge dynamique qui permettra au roulement d'atteindre un nombre suffisant d'heures de fonctionnement. L'acier inoxydable est le matériau de prédilection pour les charges plus lourdes, nécessitant des capacités plus importantes. Les céramiques ou la combinaison hybride de billes en céramique et de bagues en acier sont également de bonnes options pour les charges légères à moyennes.

Scellé ou ouvert ?

En fonction de l'environnement de fonctionnement de la machine, du coût initial du roulement et de son accessibilité, il convient de choisir un roulement étanche, blindé ou ouvert. Les utilisateurs doivent choisir une version étanche ou blindée pour les environnements présentant des quantités importantes de débris ou des roulements difficiles d'accès. Ils offrent une résistance robuste à la contamination et aux fuites de lubrifiant, ne nécessitant aucune maintenance pendant toute la durée de vie du roulement.

Pour les roulements plus surdimensionnés et plus coûteux, fonctionnant dans des environnements relativement exempts de débris et facilement accessibles, une variété ouverte peut être préférée. Les roulements ouverts permettent de réappliquer du lubrifiant en fonction des besoins. En surveillant attentivement l'état du roulement et en le lubrifiant lorsque cela est nécessaire, ces roulements peuvent durer beaucoup plus longtemps que leurs homologues étanches, dont le lubrifiant inaccessible finit par se dégrader.

Figure 11 : Application de graisse silicone sur un roulement

Figure 11 : Application de graisse silicone sur un roulement

Qualité et coût

La réputation du fabricant, la qualité du roulement à billes et le budget alloué doivent également être pris en compte lors du choix d'un roulement approprié.

Utilisation des roulements à billes

Outre les exemples rencontrés dans les sections précédentes, il existe un large éventail d'applications pour les roulements à billes. La plupart des dispositifs dotés de moteurs ou d'autres formes de rotation tirent parti de l'efficacité spatiale du mouvement de rotation pour le convertir en d'autres formes de mouvement ou d'énergie au moyen de structures nécessitant des roulements. Ces applications sont notamment les suivantes.

  • Moteurs à combustion interne : Support de l'arbre de sortie rotatif
  • Moteurs électriques : Support de l'arbre de sortie rotatif
  • Boîtes de vitesses : Supporter les arbres d'engrenages rotatifs et les arbres d'entrée et de sortie.
  • Pompes centrifuges : Supporter l'arbre rotatif près de la sortie du moteur et de l'entrée du ventilateur
  • Matériel agricole : Supportent les nombreuses pièces rotatives des tracteurs, des charrues et d'autres machines
  • Construction : Supporter de nombreuses grues rotatives, excavatrices, compacteurs et autres machines

Il existe de nombreuses autres applications. Si vous pensez à un appareil dont une partie tourne rapidement ou qui supporte une lourde charge, il est fort probable que vous trouverez au moins quelques modèles qui utilisent des roulements à billes pour faciliter cette rotation.

FAQs

Si les billes n'entrent en contact avec chaque rainure qu'en un seul point, comment peut-il supporter une lourde charge ?

Lorsqu'une charge est appliquée sur le roulement, la bague appuie sur la bille en un seul point, ce qui entraîne un léger aplatissement. Cette zone aplatie supporte la charge d'une manière conforme aux lois de la physique.

Quand le roulement à billes a-t-il été inventé ?

Phillip Vaughn a inventé le roulement à billes moderne en 1794. Cependant, les premiers roulements ont été utilisés dans l'Antiquité sous la forme de rondins roulant sous une plate-forme porteuse.

Quels sont les matériaux préférés pour la construction de roulements à billes ?

Le matériau le plus courant est l'acier inoxydable. Toutefois, les céramiques sont préférées pour les environnements extrêmes, et les roulements hybrides, composés de bagues en acier et de billes en céramique, sont également largement utilisés.

Quels types de lubrifiants sont utilisés dans les roulements à billes ?

La graisse, l'huile et les huiles synthétiques sont principalement utilisées, bien que des lubrifiants secs comme le graphite soient également employés. En outre, la technologie du pétrole solide est récemment apparue comme une alternative compétitive.

Combien de temps un roulement à billes peut-il durer avant de devoir être entretenu ou remplacé ?

Bien que des facteurs environnementaux puissent affecter la durée de vie, un roulement correctement sélectionné fournira des heures de travail conformes à la formule des heures de travail discutée dans les critères de sélection.

Peut-on réparer un roulement à billes au lieu de le remplacer par un nouveau ?

Si un roulement à billes n'est pas scellé de façon permanente, il peut être possible de le réparer. Toutefois, la décision de le faire ou non dépend du coût. Les roulements plus grands et plus coûteux sont de bons candidats à la réparation.

Quelle est l'évolution la plus récente de la technologie des roulements à billes ?

Des capteurs sont désormais utilisés pour surveiller le fonctionnement des roulements, et les données qui en résultent permettent de prévoir le moment où la maintenance doit être effectuée. Un autre développement est celui des lubrifiants supérieurs.

Quelles sont les alternatives au roulement à billes ?

Les roulements cylindriques, à aiguilles,

coniques et sphériques sont des alternatives courantes. Il existe également des roulements hydrauliques et magnétiques, qui utilisent la dynamique des fluides et le magnétisme à la place des rouleaux.