Roulements à rouleaux coniques : capacité de charge versus performances

Roulements à rouleaux coniques : capacité de charge versus performances

Les valeurs de charge dynamique indiquées dans les catalogues sur les roulements à rouleaux coniques peuvent parfois prêter à confusion. En effet, elles ne permettent pas de comparaison car les fabricants se basent sur des normes différentes pour les calculs. Des paramètres importants sont pris en compte. SKF vient de lancer une gamme extrêmement étendue de roulements à rouleaux coniques SKF Explorer offrant une durée de service accrue.

Auteurs :
Sebastian Krug, développement des produits roulements à rouleaux coniques, SKF Schweinfurt (Allemagne) ;
Udo Krug, directeur du développement des produits roulements à rouleaux coniques, SKF Schweinfurt (Allemagne) ;
Jochen Lorenscheit, gestion de produits roulements à rouleaux coniques, SKF Schweinfurt (Allemagne) ;
Michael Reugels, centre de développement des roulements de grandes dimensions, SKF Schweinfurt (Allemagne).

Recherche et théorie Roulements à rouleaux coniques

L’environnement typique des roulements à rouleaux coniques

Les roulements à rouleaux coniques sont très utilisés dans les applications industrielles et des poids lourds. On les retrouve généralement sur les transmissions et moyeux de roue voitures/poids lourds, dans la métallurgie, l’industrie éolienne, le secteur de la manutention, l’exploitation minière, ainsi que dans les transmissions industrielles.

Les besoins typiques au sein de ces applications sont la capacité à supporter des charges radiales et axiales élevées combinées et un fonctionnement avec une rigidité élevée. La fiabilité et la longévité, en particulier dans des conditions extrêmes, sont également des critères importants.

Généralement, les roulements à rouleaux coniques sont exposés à des conditions d’utilisation difficiles, dans un environnement contaminé où la préoccupation centrale est de garantir une durée de disponibilité optimale.

Les réducteurs industriels et les boîtes de vitesses pour les applications poids lourds sont généralement équipés de roulements à rouleaux coniques.

Les réducteurs industriels et les boîtes de vitesses pour les applications poids lourds sont généralement équipés de roulements à rouleaux coniques.

CAPACITÉS DE CHARGE

Pertinence des valeurs de charge

Lorsque les ingénieurs comparent des roulements de différents fabricants, ils considèrent souvent la capacité de charge comme le paramètre de performance par excellence [1]. La charge dynamique est également importante pour calculer la durée nominale de service d’un roulement. Il suffit pour le comprendre de considérer la formule de calcul de durée.

Calcul selon la norme ISO

La durée nominale d’un roulement radial à rouleaux selon la norme ISO 281 est déterminée par la formule

La durée nominale d’un roulement radial à rouleaux selon la norme ISO 281 est déterminée par la formule


L10 = durée nominale (90 % de fiabilité) ;
Cr = charge radiale dynamique de base ;
Pr = charge radiale dynamique équivalente.

La charge radiale dynamique de base d’un roulement radial à rouleaux selon la norme ISO 281 est déterminée par la formule

La charge radiale dynamique de base d’un roulement radial à rouleaux selon la norme ISO 281 est déterminée par la formule


Cr = charge radiale dynamique de base ;
bm = coefficient du type de roulement (1,1 pour les roulements à rouleaux coniques) ;
fc = coefficient de matériau/géométrie/dimension ;
i = nombre de rangées ;
Lwe = longueur effective des rouleaux ;
angle de contact= angle de contact ;
Z = nombre de rouleaux par rangée ;
Dwe = diamètre moyen des rouleaux.

Le poids de fc comme facteur de performance est particulièrement important : une valeur de 1,23 se traduit par un doublement de la durée nominale L10.

Calculs selon les normes américaines

On trouve parfois, notamment sur le marché nord-américain, l’indication de charge C90. Cette valeur est basée sur une durée nominale de 90×106 tours

On trouve parfois, notamment sur le marché nord-américain, l’indication de charge C90. Cette valeur est basée sur une durée nominale de 90x106 tours


C90 = charge dynamique de base, sur la base de 90×106 tours ;
M = coefficient du matériau, déterminé par le fabricant du roulement ;
H = coefficient de géométrie, déterminé par le fabricant du roulement ;
i = nombre de rangées ;
leff = longueur de contact effective ;
angle de contact= angle de contact ;
Z = nombre de rouleaux par rangée ;
Dwo = diamètre moyen des rouleaux.

Charge radiale dynamique C1 pour une durée nominale de 1×106 tours :

Charge radiale dynamique C1 pour une durée nominale de 1×106 tours

Comparaison des valeurs de charge

Ce qui précède démontre clairement que les valeurs de charge Cr selon les normes ISO ne peuvent être directement comparées avec les valeurs de charge nord-américaines C1. Les valeurs C1 sont dérivées des charges C90 et, malgré une structure de base similaire, les équations pour le calcul de Cr et de C90 reposent sur des coefficients et exposants différents [6]. Il en résulte une pondération différente des seuls paramètres de géométrie.

Essais comparatifs

Des essais comparatifs à forte charge ont été réalisés avec différents types de roulements à rouleaux coniques. Les résultats ci-dessous concernent le roulement 32011 X.

Tableau 1. Essais comparatifs : conditions d’essai du roulement type 32011 X.

Tableau 1. Essais comparatifs : conditions d’essai du roulement type 32011 X.

Résumé

Les utilisateurs de roulements doivent savoir que des écarts importants peuvent être observés entre les valeurs indiquées dans un catalogue et les performances réelles des roulements dans une application. Lorsque l’on s’intéresse à un roulement particulier, il est toujours conseillé de regarder de plus près les bases utilisées par le fabricant pour le calcul de la capacité de charge.

Les valeurs de charge C90 et C1 ne sont pas directement comparables avec les méthodes de calcul ISO.

Il est essentiel que les fabricants de roulements étayent leurs valeurs de charge avec des résultats d’essais.

Nous recommandons aux ingénieurs de porter un regard critique sur les valeurs C données dans les catalogues de roulements et de vérifier qu’elles respectent la norme ISO 281 ou s’appuient sur des pratiques d’essais établies parmi les fabricants de roulements. Il est facile de vérifier les valeurs C en mesurant les dimensions des composants du roulement selon des méthodes simples, cf. [7].

Par ailleurs, plus les données de charge sont fiables et élevées, plus la densité de puissance au sein de l’application est accrue [8].

Le prochain défi pour les fabricants de roulements sera de trouver des solutions pour mieux rendre compte des performances des roulements sur le terrain, dans l’intérêt des clients.

Les essais se rapportent à deux cas : environnement propre et environnement pollué. Les essais dans des conditions de propreté ont été effectués avec un roulement et une huile neuve. Pour les essais dans des conditions de contamination, des particules ont été ajoutées à l’huile et le roulement a été préalablement rodé dans ces conditions. Après rodage, l’huile contaminée a été remplacée par de l’huile propre et le roulement a été utilisé jusqu’à défaillance. Les conditions d’essai sont décrites dans le Tableau 1.

La Fig.1 est un comparatif des valeurs de charge indiquées dans les catalogues de SKF et de deux autres fabricants de roulements. La valeur de référence 100 est la valeur SKF. Par rapport aux valeurs de charge de SKF, les valeurs des deux autres fabricants sont respectivement supérieures de 17 % et 19 %.

Fig. 1. Charges radiales dynamiques, valeurs Cr indiquées dans les catalogues, roulement type 32011 X.

Fig. 1. Charges radiales dynamiques, valeurs Cr indiquées dans les catalogues, roulement type 32011 X.

Résultats des essais

La Fig. 2 fournit les résultats de l’essai comparatif réalisé dans des conditions de propreté.

La Fig. 3 fournit les résultats de l’essai comparatif réalisé dans des conditions de contamination.

Fig. 2. Résultats d’essai L10 [h], roulement type 32011 X, dans des conditions de propreté.

Fig. 2. Résultats d’essai L10 [h], roulement type 32011 X, dans des conditions de propreté.

Résultat : malgré une capacité de charge annoncée inférieure, les roulements à rouleaux coniques SKF ont offert des performances nettement supérieures par rapport aux roulements concurrents, aussi bien en conditions de propreté qu’en conditions de contamination.

Fig. 3. Résultats d’essai comparatif L10 [h], roulement type 32011 X, dans des conditions de contamination.

Fig. 3. Résultats d’essai comparatif L10 [h], roulement type 32011 X, dans des conditions de contamination.

Essais de vitesse admissible et température

Parallèlement aux essais comparatifs de durée, des essais ont également été effectués sur la vitesse admissible avec le roulement type 32011 X. Une charge purement axiale de 2,3 kN a été appliquée au roulement testé avant le début de la rotation. Puis, différentes vitesses ont été appliquées, de 2 000 tr/min à 9 000 tr/min par palier de 1 000 tr/min (Fig. 4).

Fig. 4. Essais de vitesse admissible et température – Températures de fonctionnement moyennes [°C] : en bleu : SKF ; en gris : CC 1 ; en noir : CC 2 ; en rouge : vitesse [tr/min].

Fig. 4. Essais de vitesse admissible et température – Températures de fonctionnement moyennes [°C] : en bleu : SKF ; en gris : CC 1 ; en noir : CC 2 ; en rouge : vitesse [tr/min].

Résultats des essais

  • À toutes les vitesses, les roule­ments SKF sont ceux qui chauffent le moins. Les écarts de température se creusent avec l’augmentation de la vitesse. À la vitesse maximale, la température moyenne des roulements SKF est inférieure de 11,5 °C à celle du concurrent le plus proche (CC 2).
  • À partir de 4 000 tr/min, la température moyenne des roulements concurrents augmente progressivement par rapport au roulement SKF.
Tableau 2. Essais de vitesse admissible et température.

Tableau 2. Essais de vitesse admissible et température.

ROULEMENTS À ROULEAUX CONIQUES SKF : NOUVELLE GAMME RATIONALISÉE ET SKF EXPLORER

Afin de mieux faire connaître les performances réelles des roulements à rouleaux coniques SKF, une nouvelle gamme rationalisée a été introduite au catalogue.

Les points importants sont les suivants :

  • une gamme SKF Explorer étendue (Fig. 5), toutes les petites dimensions et presque toutes les moyennes dimensions sont disponibles en version SKF Explorer
    (la gamme est sans cesse étendue) ;
  • les roulements de grandes dimensions actuellement au catalogue conservent la conception de base SKF;
  • la gamme des roulements en cotes pouces au catalogue est élargie ;
  • les gammes spécifiques pour segments ou applications comme le CL7C continueront à être proposées mais ne seront plus au catalogue.
Fig. 5. Gamme de roulements à rouleaux coniques en cotes métriques dans le nouveau catalogue Roulements SKF (Publ. SKF 17 000) : en bleu foncé = SKF Explorer ; en bleu clair = SKF de base.

Fig. 5. Gamme de roulements à rouleaux coniques en cotes métriques dans le nouveau catalogue Roulements SKF (Publ. SKF 17 000) : en bleu foncé = SKF Explorer ; en bleu clair = SKF de base.

Contact commercial

evolution@skf.com

Extension de la gamme de roulements à rouleaux coniques SKF Explorer : capacités de charge accrues

Les améliorations continues de la conception et des procédés de fabrication « série » rendent aujourd’hui possible la qualification « SKF Explorer » pour la majorité de la gamme. Cette catégorie englobe désormais tous les produits précédent « TQ line », complétés d’autres dimensions conformes à la classe de performance SKF Explorer.

Des essais comparatifs menés sur les roulements à rouleaux coniques SKF ont révélé des performances extrêmement compétitives en termes de durée de service, de moment de frottement, de niveaux sonore et vibratoire, et de vitesses admissibles.

Comme par le passé, tous les roulements à rouleaux SKF Explorer ont vu leur capacité de charge dynamique augmenter de 15 %. Cela est également valable pour la gamme de roulements à rouleaux coniques SKF Explorer au catalogue.

Avantages pour le client

Les principaux avantages offerts aux clients par les roulements à rouleaux coniques SKF Explorer incluent :

  • une fiabilité accrue ;
  • une productivité accrue ;
  • une diminution du nombre d’avaries prématurées ;
  • une diminution des niveaux sonore et vibratoire ;
  • une possible de réduction de l’encombrement ;
  • une réduction de la consommation de lubrifiant et d’énergie.

SKF Explorer est une marque déposée du Groupe SKF.

Références
[1] Parker N. : « Desktop Engineering – How to Calculate Dynamic and Static Load Ratings », Power Transmission Engineering, Février 2015, p. 40.
[2] Norme internationale ISO 281:2007(E) : « Roulements – Charges dynamiques de base et durée nominale », 2007, p. 16, formule (16).
[3] Norme internationale ISO 281:2007(E) : « Roulements – Charges dynamiques de base et durée nominale », 2007, p. 13, formule (13).
[4] SAE (Society of Automotive Engineers) : « Rating and Life Formulas for Tapered Roller Bearings », Publication 841121 SAE, 1984, p. 3.
[5] SAE (Society of Automotive Engineers) : « Rating and Life Formulas for Tapered Roller Bearings », Publication 841121 SAE, 1984, p. 4.
[6] SAE (Society of Automotive Engineers) : « Rating and Life Formulas for Tapered Roller Bearings », Publication 841121 SAE, 1984, p. 13.
[7] Parker N. : « Desktop Engineering – How to Calculate Dynamic and Static Load Ratings », Power Transmission Engineering, Février 2015, p. 41.
[8] Gabelli A., Doyer A., Morales-Espejel G.E. : « The Modified Life Rating of Rolling Bearings – A Criterion for Gearbox Design and Reliability Optimization », Publication 14FTM16 AGMA, 2014, p. 14.

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