Roulement mécanique 1

Roulement mécanique

Exemple de roulement mécanique en mouvement. Les deux pointsrouges se déplacent en sens contraire.

Un roulement mécanique permet le positionnement,la transmission des efforts et la rotation entre deuxpièces par le remplacement du glissement en unroulement. Ce composant mécanique optimise lefrottement et la précision de la liaison.

Le premier roulement à rouleaux est attribué à JohnHarrison dans le milieu du XVIIIéme siècle.

Roulement à billes

Éclaté d'un roulement à billes.

Présentation concrète

Un roulement à billes se présente sous laforme de deux bagues coaxiales entrelesquelles sont placées des billes,légèrement lubrifiées, et maintenuesespacées par une cage.

Les matériaux employés dépendent del'application pour laquelle est conçu leroulement, mais il doit être généralementtrès résistant à la compression. C'estpourquoi on choisit souvent l'acier ou lacéramique (Si3N4, SiC ou ZrO2).

Contrairement à une idée reçue, lalubrification n'a pas pour but principal deréduire les frottements entre les billes et lesbagues ; le lubrifiant sert ici, avant tout, à éviter le grippage des divers éléments. D'ailleurs, un excès de lubrifiantrend le mouvement plus difficile et provoque un échauffement très préjudiciable à la durée de vie du composant[1] .

Le roulement n'étant par principe pas étanche, il faut veiller à le protéger des poussières et autres corps étrangers qui pourraient s'y loger, accélérant son usure et diminuant son rendement. Les roulements sont néanmoins souvent équipés de flasques permettant d'éviter d'avoir à effectuer l'étanchéité. Pour un roulement de type classique,

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l'étanchéité est réalisée par des joints à lèvres.Il existe une norme ABEC populaire pour mesurer la qualité des roulements, elle est progressivement remplacée parune norme ISO.La liaison mécanique équivalente entre les deux bagues d'un roulement dépend du type d'éléments roulants et de ladisposition des contacts de ces éléments avec les bagues. La liaison locale obtenue entre l'arbre et son logement estde plus tributaire de la manière dont le roulement est fixé à l'arbre et à l'alésage. Il est souvent nécessaire, pourréaliser une liaison pivot d'utiliser deux roulements, une des solutions isostatiques étant l'association d'une liaisonrotule et d'une linéaire annulaire.

Les éléments roulants

Les différents éléments roulants.

Par abus de langage on utilise la même désignation, « roulement àbilles » pour nommer toute sorte de roulements. On doit cependantles distinguer par la forme des éléments roulants :• La bille est le cas le plus connu, mais les rouleaux cylindriques

ou coniques sont aussi très employés dans les montagesnécessitant une plus grande rigidité.

• Certains roulements à rotule sont munis de rouleaux en formede barillet.

• Enfin lorsqu'il s'agit de rouleaux cylindriques très longs devantleur diamètre on parle d'« aiguilles ».

Assemblage d'un roulement à billes

L'assemblage des éléments d'un roulement à billes ne semble pasévident à la vue de l'objet. C'est une opération délicate (il ne fautpas endommager les pièces) mais guère difficile. En outre un roulement est un composant sur lequel on ne peut paseffectuer de maintenance. Les éléments sont appairés (sélectionnés pour s'assembler au mieux). Le tableauci-dessous décrit donc l'opération de montage en fabrication de ce composant, ce qui ne correspond en aucun cas àune aide à la mise en œuvre de ce composant.

Pour les roulements à rouleaux coniques et les butées, il est possible de séparer les bagues et la cage. De ce fait, ceproblème de montage ne se pose pas.

Etape Illustration Commentaire

1° Les billes sont disposées jointives sur le chemin de roulement de la bague extérieure. Leur espacementfinal sera garanti par la cage (demi-cage en arrière plan)

2° On peut alors engager la bague intérieure. Le nombre d'éléments roulants est en partie limité par cettecontrainte de montage. Trop nombreux la bague ne peut pas entrer, le montage n'est donc pas possible,même si en position théorique finale les pièces semblent avoir assez de place !

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3° La bague intérieure se centre naturellement par appui sur les billes en s'engageant radialement dans l'arcqu'elles forment. Celui-ci ne doit donc pas excéder 180° (limitation encore une fois du nombre de billes).

4° Les billes sont enfin écartées pour prendre la répartition circulaire finale correspondant à la cage deroulement.

5° Les deux parties de la cage sont rapportées de part et d'autre puis assemblées par rivetage, collage, ousoudage suivant les tailles, les qualités, ou les constructeurs.

Familles de roulementsLes roulements se distinguent par la forme et la disposition des éléments roulants. À chaque modèle correspondentdes performances particulières et donc un usage spécifique.Par exemple, les roulements à rouleaux supportent des charges supérieures par rapport aux roulements à billes (detaille équivalente), car le contact des éléments roulants avec les bagues est linéaire. Cependant, ils acceptent desfréquences de rotation moins élevées. Les cages à aiguilles sont moins encombrantes mais exigent une préparationdes portées (trempe).

Roulement à billes à contacts droitsTrès économiques, ce sont les plus utilisés en petites et moyennes dimensions. Ils supportent tous les types decharges (modérées à moyennes): axiales, radiales et combinées. Sous charge, ils se comportent comme un roulementà contact oblique dont l'angle d'inclinaison serait variable. Variantes: versions avec rainure et segment d'arrêt,versions étanches d'un ou des deux côtés (étanchéité par flasques en tôle ou par joints élastomères). Les versionsétanches des 2 côtés sont graissées à vie.

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Roulement à billes à contacts obliques

Écorchés d'un roulement à billes àcontacts obliques.

Ils supportent tous les types de charges axiales, dans un seul sens. Les baguesne sont pas séparables. Les angles de 15°, 25° et 40° sont les plus courants. Ilsdoivent être montés au minimum par paire et en opposition : ils offrent lapossibilité de régler le jeu interne de la liaison par précharge du montage. Laversion à deux rangées peut être utilisée seule (cas d'un arbre court).

Roulement à rouleaux coniques

Ils supportent des efforts axiaux et radiaux importants. Du fait de ladisposition des contacts de roulement, les bagues peuvent se désolidariser partranslation axiale. Il ne posent donc pas les mêmes problèmes d'assemblageque les roulements à billes.Ils constituent une liaison rotule équivalente (unilatérale) entre les bagues.D'une grande rigidité, ce type de composant est idéal pour les guidages degrande précision devant subir de gros efforts (pivot de roue de véhicules,broches de machines).

Roulementconiquedéboité

Disposition en X et en O Problèmestechnologiques du

montage en O

Problèmestechnologiques du

montage en X

Pour le guidage d'un arbre, comme les roulements à billes à contact oblique, ils sont généralement associées par paireen opposition. Suivant la disposition des composants, on obtient un montage dit en O ou en X:• si les centres de poussée sont situés à l'extérieur des roulements, les droites d'actions mécaniques des éléments

roulants forment un O (<>)• si les centres de poussée sont situés entre les roulements, ces droites forment un X.• le choix du montage en X ou en O ne semble en fait dépendant que de l'écartement des deux roulements[2] . En

effet si les deux roulements sont proches, les centres de rotation des deux roulements sont proches (les roulementspeuvent dans une moindre mesure tourner autour de l'intersection des droites perpendiculaires aux rouleaux etpassant par le milieu des rouleaux) fragilisant ainsi le système ; pour pallier ceci, on écarte les deux centres l'un del'autre en utilisant le montage en O. Si les roulements sont éloignés, on peut choisir la topologie la plus pratiqueau montage.

Chaque roulement constituant une liaison rotule, l'association des deux donne un pivot, dont la raideur est d'autantplus grande que les centres de poussée sont éloignés. Ce montage en opposition ne permettant pas la constitutiond'une liaison isostatique, il y a nécessité de réglage au montage, pour un fonctionnement correct. Leur mise en œuvreest donc plus coûteuse.Pour des raisons technologiques (ajustement des bagues et leur portée et réglage du jeu), le montage en X esthabituellement utilisé dans le cas d'un arbre tournant par rapport à la charge radiale subie par la liaison. Le montageen O est utilisé, lui, dans le cas d'un logement tournant.

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Roulement à rouleaux cylindriques

Roulement à rouleaux cylindriques

Ils supportent un léger défaut d'alignement. Il y a deux types de roulements àrouleaux :• Sur deux rangées de billes type BS : ils supportent des charges radiales

élevées.• Sur deux rangées de rouleaux type SC : ils supportent des charges radiales

encore plus élevées.

Roulement rotule à rouleaux

roulements rotules à rouleaux

Du fait de la forme et la disposition des rouleaux, ces roulements acceptent ungrand déversement relatif des deux bagues (plusieurs degrés). Ils conviennentalors parfaitement pour le guidage d'arbres très longs, pour lesquels il estimpossible d'aligner les portées lors de leur réalisation, comme par exemple leguidage d'arbre d'hélice de bateau.

Roulement à aiguilles

Roulement à aiguilles à cage sans bagues

Il ressemble au roulement à rouleaux, mais ses éléments roulants ontun diamètre beaucoup plus petit (comparé à leur longueur). Il a doncl'avantage d'être moins encombrant, ce qui est intéressant quandl'espace radial est petit : C'est la solution retenue pour la liaison descroisillons d'un joint de cardan avec les deux moyeux.

Il existe des roulements complets avec les deux bagues mais aussi desmodèles ne présentant que la bague extérieure, ou alors seulement lacage tenant les éléments roulants. Dans ce cas, les portées doivent êtrede dureté suffisante. Le roulement n'est alors pas le seul composantd'usure.Le type à cage est plus résistant, particulièrement aux hautes vitesses.Il est par exemple utilisé sur les axes de pistons des moteurs à deuxtemps, dont la faible lubrification ne permet pas l'utilisation de paliers.

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Butées

Écorché partiel d'une butée à billes unilatérale.

Ce type de roulement ne supporte que desefforts axiaux. Ils sont utilisés ensupplément d'autres roulements supportantles charges radiales de la liaison.On distingue les butées à simple effet qui nesupportent des forces que dans un seul sens,des butées à double effet qui supportent descharges dans les deux sens.Comme pour les roulements classiques, leséléments roulants peuvent être des billes,des rouleaux ou des aiguilles. Les butées àbilles ne supportent que des faibles vitessesde rotation. Les butées à aiguilles ourouleaux supportent des charges plus fortesque celles à billes.Le plateau cyclique d'un hélicoptère s'appuiesur ce type de composant dans la commandede portance des pales.

Mise en œuvreL'emploi de roulements dans la réalisation d'une liaison pivot, nécessite le respect de règles garantissant uncomportement sain de l'ensemble. Les choix sont entièrement dictés par les conditions de fonctionnement dumécanisme : encombrement, efforts transmis, fréquences de rotation, durée de vie.

Montage des roulementsSous l'action de la charge radiale, les bagues d'un roulement en rotation ont tendance à tourner sur leur portée oudans leur logement, ce qui provoque une usure prématurée de la portée. Il faut donc lier les bagues aux éléments dumontage (arbre, logement) afin qu'elles en deviennent partie intégrante.Règles :• La bague tournant par rapport à la direction de la charge radiale doit être montée serrée.• La bague fixe par rapport à la direction de la charge peut être libre.

Tolérances d’ajustementMontage arbre tournant

La charge tourne par rapport à la bague intérieure.La charge est fixe par rapport à la bague extérieure.Exemple : roulement de roue motrice sur une voiture (la charge est verticale par rapport au sol et la bague intérieureest entraînée par le cardan)Dans ce cas la bague intérieure doit être montée serrée (ou collée) sur l'arbre.L'ajustement peut être du type k6 sur l'arbre (Voir les préconisations du fabricant, la tolérance de l'arbre étantdépendante du type de roulement et du cas de charge).La bague extérieure est montée glissante dans le logement.

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L'ajustement peut être du type H7 dans le logement (Voir les préconisations du fabricant).Montage moyeu tournant

La charge tourne par rapport à la bague extérieure.La charge est fixe par rapport à la bague intérieure.Exemple: roulement de machine à laver lorsque le linge n'est pas bien réparti dans le tambour. (la bague intérieurtourne avec le tambour)Dans ce cas la bague intérieure doit être montée glissante, l'ajustement peut être du type g6 sur l'arbre. (Voir lespréconisations du fabricant)La bague extérieure est montée serrée (ou collée).L'ajustement peut être du type N7 (voir les préconisations du fabricant)[3] .

Durée de vie

Écaillage d'une bague extérieure d'un roulement à rouleaux cylindriques.

La variation des sollicitations aux contactdes éléments roulant sur les baguesprovoque une usure par fatigue. La théoriede Hertz permet une estimation assez justede cet effet. La durée de vie d'un roulementest le nombre de tours qu'il peut effectueravant que n'apparaissent les premiers signesd'écaillage, c’est-à-dire l'altération de l'étatde surface des chemins de roulement ou deséléments roulants eux-mêmes. Cet écaillagepeut entraîner un grippage net de la liaison,voire la destruction du roulement et doncdes pièces qu'il guide[1] .

On détermine le nombre de roulements (en%) que l'on peut s'attendre à voir atteindreune durée de vie déterminée. Cepourcentage est la fiabilité, on peut également l'approcher de la probabilité de voir un roulement atteindre cette duréede vie. Ces mesures sont établies par les constructeurs eux-mêmes, ou des organismes de normalisation. À partir deces relevés statistiques, on peut évaluer la fiabilité d'un modèle de roulement.Cette fiabilité R est donnée par la loi de Weibull :

où L est la durée de vie posée, R la proportion de roulements qui peuvent

atteindre L et L10 la durée de vie nominale exprimée en millions de tours.Cette loi implique que 90 % des roulements atteignent au minimum L10.Pour une fiabilité supérieure à 96% cette loi n'est plus valable car, à l'extrême, une fiabilité de 100% donnerait unedurée de vie nulle (or elle est d'environ 0,025.L10) et on utilise alors cette loi :

où

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Pour calculer L10 on utiliseL10=(C/P)3 pour un roulement à billesouL10=(C/P)(10/3) pour un roulement à rouleauxoù C est la charge dynamique de base (donnée par le constructeur) et P la charge radiale équivalente supportée.Pour calculer P pour un roulement à billes, on doit obtenir les charges radiales et axiales, respectivement Fr et Fa. Ona également besoin des données constructeur e,X et Y.si Fa=<e*Fr alors P=Frsi Fa>=e*Fr alors P=X*Fr+Y*FaLa dégradation par fatigue est le mode « normal » de mise hors service ; elle ne concerne que les roulements mis enœuvre dans le respect des règles de montage préconisées. Lorsque qu'un roulement est mal adapté, son usure peutêtre bien plus rapide : des défauts de lubrification, des jeux mal réglés, un milieu agressif, des fonctionnements avecchocs sont autant de facteurs aggravants.

Représentation et schématisation

Représentation d'un roulement à billes à contactdroit (1) et d'un autre à contact oblique (2) en

dessin technique

Étant d'un emploi assez courant, et ses formes demandant un travailimportant si on veut respecter les conventions du dessin technique, lareprésentation des roulements adopte, comme pour la vis, desconventions particulières sur les schémas et sur les plans.

En gros, les contours des bagues sont dessinés comme si le roulementétait monobloc, et un symbole permet d'identifier le type d'élémentsroulants, la disposition des contacts de guidage et les optionséventuelles (étanchéité). De manière générale, les propriétés ducomposant sont rappelées dans la nomenclature.

Quelques fabricants

SKF (Leader mondial), Schaeffler Gruppe, NTN-SNR Roulements, NSK, FAG, WIB, TIMKEN, INA, JESA, Koyo,SNFA, MAGNETAL, NMB Minebea (roulements miniatures).

Notes et références[1] Voir le Wikilivre consacré à la tribologie, qui traite notamment des modes d'endommagement des roulements.[2] http:/ / forums. futura-sciences. com/ technologies/ 224292-montage-roulements-x-o. html[3] Source : Bases techniques Roulements Conception des paliers, INA FAG, http:/ / medias. schaeffler. de/ medias/ fr!hp. tg. cat/

tg_hr*ST4_1652155275;bxkmWfuvXPN9#ST4_1652157963

Liens externes• Calculs en ligne de la durée de vie d'un roulement à bille (http:/ / pats. ch/ formulaire/ element/ element11. aspx)

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Sources et contributeurs de l’articleRoulement mécanique  Source: http://fr.wikipedia.org/w/index.php?oldid=72222391  Contributeurs: Aeleftherios, Alno, Alvaro, Arianespace, Arnaud.Serander, Arnaudus, Asabengurtza,Badmood, Bbullot, Benjism89, Cacahouete molle, Cdang, Colocho, Coyote du 86, Damien67, Dhatier, Domsau2, Démocrite, Emirix, Epop, Fafnir, Fpanel, Gjacquenot, Greudin, Haha, Ico,Jastrow, Jborme, Jean-Jacques MILAN, Jfg, Julien06200, Kilith, Kyro, Laddo, Liquid 2003, Ludo29, Léna, Manudwarf, MatP, Nono64, Oblic, Oliv21, Orthogaffe, Owong, Phe, Pld, PoM,Poulos, Pulsar, Pymouss, R, Raph, Ren ito, Roglo, Romary, Ruizo, Samsamsam, Sand, Savant-fou, Sebleouf, SectionFinale, Sherbrooke, Stanlekub, Taveneaux, The RedBurn, Thedreamstree,Thierry46, Tnpleroux, Toine, Tornad, Vspaceg, Xentyr, Xic667, Xiglofre, YSidlo, YannickPatois, 175 modifications anonymes

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