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Roulements à billes à quatre points de contact – la solution deux-en-un

Imaginez que vous ayez besoin d’un roulement pour supporter des charges axiales s’exerçant dans les deux sens qui assure une tolérance de position axiale de l’arbre très serrée. C’est exactement ce dont sont capables, grâce à leur conception unique, les roulements à billes à quatre points de contact de la série QJ, et ce dans un encombrement axial très réduit.  

Auteur : Thomas Forster, Directeur du bureau de développement de Steyr, SKF Autriche.

Roulement à billes à contact oblique Autres industries Autres services

Résumé

Les roulements à billes à quatre points de contact (roulements QJ) constituent un type spécifique de roulement à billes à contact oblique. Dans de nombreuses applications, un seul roulement QJ offre une alternative intéressante en remplacement de deux roulements à contact oblique à une seule rangée appariés. Il se distingue en effet par un faible encombrement et des vitesses admissibles et une capacité de charge remarquables, ce qui lui vaut d’être largement utilisé dans des applications comme les compresseurs, les pompes et les ralentisseurs.

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Four-point contact ball bearings

Un roulement à billes à quatre points de contact (Fig. 1) peut supporter des charges axiales dans les deux sens, combinées à des charges radiales dans une certaine mesure, et assure une tolérance de position axiale de l’arbre très serrée. Le roulement permet également une réduction de l’encombrement puisqu’il équivaut à deux roulements à billes à contact oblique à une rangée. Il constitue ainsi un excellent choix dans des applications comme les réducteurs industriels, moteurs de locomotives, compresseurs et bien d’autres.

Caractéristiques techniques
Les roulements à billes à quatre points de contact standard de SKF – également dénommés roulements QJ – sont constitués d’une bague extérieure monobloc, d’une bague intérieure séparée radialement en deux parties, d’un jeu de billes et d’une cage guidée par la bague extérieure. Les bagues présentent plusieurs détails de conception notables (Fig. 2). La bague extérieure est similaire à celle d’un roulement rigide à billes, à ceci près que la géométrie des pistes en coupe diffère légèrement. Une piste de roulement rigide à billes est circulaire.

La bague extérieure d’un roulement à billes à quatre points de contact compte deux pistes symétriques, toutes deux de forme circulaire. Les deux pistes se coupent au milieu de la bague en formant un point singulier. Cette forme est également appelée « arc gothique ». Les centres des cercles des deux pistes présentent un petit décalage dans le sens axial (Fig. 2). La bague intérieure repose sur le même principe de conception que la bague extérieure, mais est séparée en deux parties. La conception des pistes de la bague extérieure permet de définir l’angle de contact (35° en standard) et le jeu axial indépendamment. En d’autres termes, il est possible d’obtenir un jeu axial spécifique sans modifier l’osculation (rapport entre la courbure de piste et le diamètre des billes).

Un roulement avec un angle de contact de 35° nécessite des épaulements hauts et il n’est pas possible dans ce cas d’assembler une bague intérieure monobloc avec un nombre raisonnable de billes. La conception en deux parties de la bague intérieure des roulements à billes à quatre points de contact permet d’incorporer un nombre maximal de billes, limité uniquement par l’épaisseur des barrettes de la cage.

La procédure de montage comporte généralement 3 étapes :

  • la cage est insérée dans la bague extérieure,
  • les billes sont enfoncées dans la cage,
  • les deux moitiés de la bague intérieure sont insérées de chaque côté. Les bagues intérieures sont séparables. Pour éviter que le roulement se sépare pendant le transport ou les manipulations, un insert en plastique est enfoncé dans l’alésage.

En théorie, une bille présente quatre points de contact différents avec les bagues (Fig. 3). C’est ce qui se produit en présence d’une charge radiale pure. Il est cependant probable que ce cas de charge ne se présente pas dans des applications réelles. Quoi qu’il en soit, les cas avec une charge axiale pure (Fig. 4a) sont les plus représentatifs et, dans ces cas, le transfert de la charge s’opère en deux points de contact disposés en diagonal. En cas de changement de direction de la charge axiale, les deux points de contact passent en position opposée. On comprend dès lors pourquoi ce type de roulement peut supporter des charges axiales dans les deux sens. Certaines applications sont caractérisées par des charges combinées mais avec une dominante axiale (Fig. 4b). Pour obtenir la même fonctionnalité avec des roulements à billes à contact oblique à une rangée, deux roulements identiques montés en O ou en T sont nécessaires. Autrement dit, les roulements à billes à quatre points de contact permettent de réaliser des montages moins encombrants, puisqu’un seul de ces roulements peut remplacer deux roulements à billes à contact oblique à une rangée. Une condition importante pour un fonctionnement correct des roulements à billes à quatre points de contact est que la composante dominante de la charge soit axiale – SKF recommande un rapport Fa/Fr > 1,27.

Les roulements à billes à quatre points de contact SKF sont dotés en standard soit d’une cage à fenêtres massive en laiton (suffixe de désignation MA) (Fig. 1a), soit d’une cage à fenêtres moulée par injection en polyétheréthercétone (PEEK) (suffixe de désignation PHAS) (Fig. 1b). Les deux cages sont guidées par la bague extérieure. Ce guidage extrêmement efficace autorise une vitesse limite supérieure. La conception symétrique très spécifique de la cage permet d’incorporer un nombre maximal de billes de grand diamètre.

La Fig. 5 résume les principales caractéristiques des roulements SKF de la série QJ.

Capacité de charge, durée nominale et vitesse de base
Compte tenu de sa conception très compacte, des craintes peuvent émerger concernant la capacité de charge d’un roulement à billes à quatre points de contact par rapport à celle de deux roulements à billes à contact oblique à une rangée appariés. La Fig. 6 présente un comparatif des capacités de charge des roulements QJ des séries de diamètre 2 et 3 et des ensembles de roulements à billes à contact oblique appariés correspondants des séries 72 B et 73 B respectivement. Comme on peut le voir, il n’y a pratiquement aucune différence entre la capacité de charge d’un roulement à billes à quatre points de contact et celle de roulements à billes à contact oblique appariés correspondants. Au total, il apparaît qu’un roulement à billes à quatre points de contact permet de gagner 50 % d’espace axial.

Il convient toutefois de tenir compte de la durée nominale. Le facteur clé est la charge dynamique équivalente, calculée à partir des charges selon la formule suivante :

P = 0,60×Fr + 1,07×Fa
pour un roulement à billes à quatre points de contact (angle de contact de 35°)
P = 0,57×Fr + 0,93×Fa

pour un ensemble de roulements à billes à contact oblique (angle de contact de 40°) appariés.

Il apparaît clairement que la charge dynamique équivalente sera supérieure avec le roulement à billes à quatre points de contact, en raison principalement de l’angle de contact inférieur, mais la durée nominale inférieure qui en résulte est largement compensée par le gain d’espace en matière de conception.

La Fig. 7 présente un comparatif des vitesses limites des roulements QJ des séries QJ2 et QJ3 et des ensembles de roulements appariés des séries 72 B et 73 B. Il apparaît clairement que la vitesse nominale est supérieure d’environ 70 %. Cette performance peut s’expliquer par l’angle de contact inférieur (35° contre 40°), la qualité supérieure du matériau de la cage (laiton massif ou PEEK), le guidage de la cage par l’épaulement de la bague extérieure et la lubrification optimisée des alvéoles de la cage.

Conception des pièces adjacentes
Dans de nombreuses applications, le roulement à quatre points de contact est combiné avec un roulement radial, comme un roulement à rouleaux cylindriques. Dans ce cas, il est crucial que le roulement à quatre points de contact supporte une charge purement axiale. Par conséquent, la bague extérieure du roulement à billes à quatre points de contact ne doit pas être serrée axialement, ni radialement, mais montée avec un jeu radial (écart de 1 à 2 mm) dans le palier (Fig. 8). Dans le cas contraire, la bague extérieure ne peut pas compenser les mouvements thermiques, ce qui entraîne des efforts additionnels indésirables dans le roulement. Pour empêcher la bague extérieure de tourner, la plupart des roulements sont fournis avec deux encoches d’arrêt en rotation dans la bague extérieure. Celle-ci permet de fixer la bague extérieure au palier à l’aide d’une goupille (Fig. 8). Si un serrage axial de la bague extérieure s’avère indispensable, elle doit alors être centrée avec le plus grand soin lors du montage.

N’oubliez pas en revanche que les deux moitiés de la bague intérieure doivent toujours être serrées axialement.

Applications
Si l’espace disponible est limité, si des charges axiales élevées s’exercent dans les deux sens ou si les vitesses sont importantes, la solution offerte par les roulements à billes à quatre points de contact mérite d’être étudiée. De telles conditions peuvent apparaître dans des applications comme les pompes, ralentisseurs, compresseurs, boîtes de vitesses industrielles ou automobiles, moteurs de traction ou colonnes de direction. Voici quelques exemples d’équipements intégrant des roulements à billes à quatre points de contact.

Des compresseurs à vis (Fig. 9a) sont utilisés à travers toute l’industrie pour comprimer divers gaz à une pression relativement élevée. Le processus de compression est assuré par la rotation continue de deux vis hélicoïdales. La pression différentielle entre les extrémités des deux vis génère des forces axiales qui sont souvent reprises par des roulements à billes à quatre points de contact. Les faibles écartements entre les deux vis, et entre les vis et le carter du compresseur imposent des montages de roulements rigides et de faibles jeux axiaux.

Les turbo-ralentisseurs (Fig. 9b) convertissent en chaleur l’énergie cinétique en excès produite par les camions. Cette application nécessite des roulements aux vitesses limites élevées et capables de supporter des changements de vitesse rapides, ce qui correspond aux conditions dans lesquelles les roulements à billes à quatre points de contact sont préconisés.

Les pompes multiphases (Fig. 9c) permettent d’exploiter les champs pétrolifères plus efficacement qu’avec les méthodes conventionnelles. Les pompes sont installées au niveau du fond marin et augmentent la pression du mélange d’hydrocarbures ascendant. On utilise généralement des roulements à billes à quatre points de contact pour la reprise des charges axiales.

Les multiplicateurs d’éoliennes (Fig. 9d) transfèrent l’énergie de l’arbre principal, dont la rotation est très lente (environ 18 tr/min), vers la génératrice dont la vitesse est environ 100 fois supérieure. Sur l’arbre à grande vitesse, des roues hélicoïdales génèrent des charges axiales élevées qui doivent être reprises. On utilise dans ce cas des roulements à rouleaux cylindriques associés à des roulements à billes à quatre points de contact.

Dans le domaine ferroviaire (Fig. 9e), on compte deux applications principales. Les boîtes de vitesses et moteurs de traction intègrent souvent des roulements à rouleaux cylindriques combinés à des roulements à billes à quatre points de contact. Les roulements du moteur de traction doivent être protégés contre les dommages pouvant être causés par le passage du courant électrique. Une solution courante consiste à utiliser des roulements isolés (INSOCOAT). Dans le cas des roulements à billes à quatre points de contact avec encoches d’arrêt en rotation, les deux parties de la bague intérieure doivent être revêtues.

INSOCOAT est une marque déposée du Groupe SKF.

Fig. 1 : roulement à billes à quatre points de contact – type QJ.Fig. 2 : décalage des pistes de la bague extérieure.Fig. 3 : transmission théorique de la charge dans un roulement à billes à quatre points de contact.Fig. 4 : transmission possible de la charge dans un roulement à billes à quatre points de contact.Fig. 5 : vue éclatée et principales caractéristiques.Fig. 6 : comparatif de capacité de charge dynamique : roulements des séries QJ2 et QJ3 par rapport à des roulements appariés des séries 72 B et 73 B respectivement.Fig. 7 : comparatif des vitesses de base. Roulements des séries QJ2 et QJ3 par rapport à des roulements appariés des séries 72 B et 73 B respectivement.Fig. 8 : montage de roulements. Le roulement à billes à quatre points de contact (libre dans le sens radial) supporte la charge axiale et le roulement à rouleaux cylindriques, la charge radiale. Fig. 9a : compresseur à vis. Fig. 9b : turbo-ralentisseur.   Fig. 9c : pompe multi-phase. Fig. 9d : multiplicateur d’éolienne. Fig. 9e : applications ferroviaires – transmission et moteurs de traction.

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