Roulement mécanique

Un roulement permet la rotation entre deux pièces par le remplacement du glissement par le roulement. Ce composant mécanique optimise le frottement et la précision de la liaison.

Roulement à billes

Un roulement à billes est un organe mécanique permettant la mise en rotation d'une pièce par rapport à une autre, en réduisant les frottements. Il est utilisé en particulier comme interface entre une pièce fixe et un axe.

Le roulement à billes se présente sous la forme de deux cylindres (appelés bagues) emboîtés dans lesquels sont placées des billes, légèrement lubrifiées et régulièrement espacées à l'aide d'une bague cage comportant un trou par bille.

Les matériaux employés dépendent de l'application pour laquelle est conçue le roulement, mais il doit être généralement très résistant à la compression. C'est pourquoi on choisit souvent l'acier ou la céramique.

Contrairement à une idée reçue, la lubrification n'a pas pour but principal de réduire les frottements entre les billes et les bagues ; le lubrifiant sert ici, avant tout, à éviter le grippage des divers éléments. D'ailleurs, un excès de lubrifiant rend le mouvement plus difficile et provoque un échauffement très préjudiciable à la durée de vie du composant. Ces questions sont traitées en détail dans le Wikilivre consacré à la Tribologie.

Le roulement n'est 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, 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 par une norme ISO.

La liaison réalisée par un roulement à billes dépend de la manière dont il est fixé à l'arbre et à l'alésage. Il est assez courant, pour effectuer une liaison pivot d'utiliser deux roulements, l'un accomplissant une liaison rotule et l'autre une linéaire annulaire.

Assemblage d'un roulement à billes

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

Etape Illustration Commentaire

- 1° Les billes sont disposées jointives sur le chemin de roulement de la bague extérieure. Leur espacement final 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 cette contrainte 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 !

- 3° La bague intérieure se centre naturellement par appui sur les billes en s'engageant radialement dans l'arc formé par les billes. 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 compatible avec la cage de roulement.

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

Roulement à rouleaux

Ce type de roulement est très proche du précédent, la cage contenant des rouleaux au lieu de billes. Selon la forme des rouleaux il peut être possible de séparer les bagues. Le problème d'assemblage du roulement n'est alors plus le même.

Le roulement à rouleaux supporte un effort radial supérieur par rapport au roulement à billes, car le contact des éléments roulants avec les bagues est linéïque.

Roulement à rouleaux coniques

Ils ont la possibilité de supporter des efforts axiaux et radiaux importants mais ils doivent être montés par paires en opposition. Le montage est dit en O ou en X. Leur mise en œuvre est plus délicate car ils nécessitent un système de réglage parfois complexe et coûteux.

Roulement à rouleaux cylindriques

Roulement rotule à rouleaux

Roulement à aiguilles

Il ressemble au roulement à rouleaux, mais ses éléments roulants ont un diamètre beaucoup plus petit (comparé à leur longueur). Il a donc l'avantage d'être moins encombrant, ce qui est intéressant quand l'espace radial est petit.

Butée à billes

Ce type de roulement ne supporte que des efforts axiaux. Les butées à simple effet ne supportent des forces que dans un seul sens, alors que les butées à double effet supportent des charges dans les deux sens. Les butées à billes ne supportent que des vitesses de rotation faibles. Les butées à aiguilles supportent des charges plus fortes que celles à billes.

Le plateau cyclique d'un hélicoptère s'appui sur ce type de composant dans la commande de portance des pales.

Durée de vie

La variation des sollicitations sur les bagues du roulement provoque une fatigue visible au bout d'un nombre de tour assez grand. La durée de vie d'un roulement est le nombre de tours qu'il peut effectuer avant que n'apparaisse le premier signe d'écaillage, c'est à dire l'altération de l'état de surface des chemins de roulements ou des organes roulants (billes, rouleaux, aiguilles…).

Les Tribologie_-_Endommagement_des_roulements sont décrits dans le Tribologie.

On peut calculer le nombre de roulements (en %) que l'on peut s'attendre à voir atteindre une durée de vie déterminée. Ce pourcentage est la fiabilité, on peut également l'approcher de la probabilité de voir un roulement atteindre cette durée de vie.

Cette fiabilité R est donnée par la loi de Weibull :

R(L)=100*e^{(ln(0,9)*((L/L₁₀)^(3/2))}

où L est la durée de vie posée, R la proportion de roulements qui peuvent atteindre L et L₁₀ la durée de vie nominale.

Cette loi implique que 90 % des roulements atteignent au minimum L₁₀.

Pour calculer L₁₀ on utilise

L₁₀=(C/P)³ pour un roulement à billes

L₁₀=(C/P)^(10/3) pour un roulement à rouleaux

où C est la charge dynamique de base (donnée par le contructeur) et P la charge radiale équivalente supportée.

Pour calculer P pour un roulement à billes, on doit obtenir les charges radiales et axiales, respecivement Fr et Fa. On a également besoin des données constructeur e,X et Y.

si Fa= si Fa>=e*Fr alors P=X*Fr+Y*Fa

Il convient toutefois de noter que si la dégradation par fatigue est le mode « normal » de mise hors service, elle concerne en fait moins de 10 % des roulements. Les autres subissent diverses sortes de dégradations dont les principales sont liées à des défauts de lubrification, d'étanchéité ou encore à un montage défectueux.

Représentation et schématisation

Etant d'un emploi assez courant, et ses formes demandant un travail important si on veut respecter les conventions du dessin technique, la représentation des roulements, adopte, comme pour la vis, des conventions particulières sur les schémas et sur les plans. En gros, les contours des bagues sont dessinés comme si le roulement était monobloc, et un symbole permet d'identifier le type d'éléments roulants, la disposition des contacts de guidage, les options éventuelles (étanchéïté). De manière générale, les propriétés du composant sont rappelées dans la nomenclature.

Quelques fabricants

TIMKEN, NTN, SKF, NSK, INA, SNR Roulements, SNFA (fabrication roulements de haute précision pour l'aéronautique)

Liens externes

Calculs en ligne de la durée de vie d'un roulement à bille

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