Les améliorations successives apportées à la conception des roulements à rouleaux cylindriques remontent aux années 1870 à l’époque de la création des premières usines de bicyclettes. L’augmentation de la demande en roulements à billes et à rouleaux pour des applications de mécanique générale a conduit ensuite à la création d’entreprises spécialisées dans la conception et la fabrication de ces pièces.

Dès les débuts de l’industrie, le potentiel offert par les roulements à rouleaux en termes d’économies d’énergie est apparu clairement. Dans le cadre d’un projet de recherche mené à New York en 1905, W. P. Graham de l’université Syracuse a comparé la consommation d’énergie de deux tramways identiques, l’un équipé de paliers lisses et l’autre, de roulements à rouleaux. L’essai a révélé que l’utilisation de roulements à rouleaux permettait une économie d’énergie de 52 %.

Premier roulement à rouleaux cylindriques moderne
En 1909, Josef Kirner, ingénieur en chef au sein de Norma Compagnie à Cannstatt, en Allemagne, reçoit un brevet pour son invention d’un roulement à rouleaux cylindriques moderne. Ce roulement présente des pistes bombées (se bild . 1) pour éviter les effets dommageables des charges de bord sur les extrémités des rouleaux. Il est doté de rouleaux courts, fabriqués avec précision et guidés avec exactitude entre des épaulements. Conscient du potentiel, Kirner introduit ces roulements en Allemagne.

En 1914, l’entreprise SKF basée à Göteborg, en Suède, rachète la moitié des parts de Norma Compagnie qui est intégrée au Groupe SKF. À partir de cette date, l’évolution du roulement à une rangée de rouleaux cylindriques est étroitement mêlée à l’histoire de SKF.

Au cours des années 1920 à 1925, le roulement à rouleaux cylindriques s’impose progressivement au point que la concurrence se met à le copier. Les années 1920 sont marquées par des innovations importantes (se bild . 2) : la combinaison des types NU et NH pour les moteurs de traction ferroviaires, encore utilisée de nos jours, et la combinaison des types WJ et WUJ pour les boîtes d’essieux.

Au cours des années 30, les dimensions d’encombrement des roulements à rouleaux cylindriques SKF deviennent identiques à celles des roulements à billes standard. Le diamètre des rouleaux des roulements des séries de petites dimensions est égal à la moitié de leur longueur tandis que le rapport longueur-diamètre des rouleaux pour les roulements de plus grandes dimensions est d’environ 1,5 .

Le rouleau B voit le jour dans les années 50. Les premières descriptions théoriques du profil idéal des éléments roulants ainsi que les rouleaux bombés et de forme circulaire avaient fait leur apparition au cours de la décennie précédente. La théorie de Lundberg est à la base du profil bombé des roulements à rouleaux cylindriques et conduit finalement au rouleau B caractérisé par un profil droit dans sa partie centrale et légèrement bombé vers l’extrémité du rouleau. Il est désormais possible de déterminer avec plus de précision la hauteur du bombé requis. Avec un défaut d’alignement d’arbre, cette dernière devait encore être estimée.

L’introduction du roulement de type E dans les années 60 marque un tournant. La section du roulement de type E est optimisée pour pouvoir intégrer un jeu de rouleaux renforcé constitué de rouleaux non seulement plus gros et plus longs (se bild . 3a et 3b), mais aussi plus nombreux (se bild . 4a et 4b). Il en résulte une augmentation de la capacité de charge de 35 % en moyenne et un allongement significatif de la durée de service du roulement.

La fabrication du type E a été une véritable gageure en raison de la modification des dimensions des rouleaux et de l’introduction de nouvelles cages. Tous les roulements des séries de dimensions 2, 22, 3 et 23 ont été remaniés sur le modèle du type E.

L’année 1981 voit l’introduction des roulements à rouleaux cylindriques EC, caractérisés par une zone de contact entre l’extrémité du rouleau et l’épaulement modifiée. L’épaulement présente une géométrie « ouverte » (se bild 5). Les extrémités des rouleaux sont soumises à un traitement de surface visant à améliorer l’efficacité du lubrifiant, minimiser le frottement et limiter les températures de fonctionnement, le tout dans le but de réduire les besoins de maintenance. Pour les roulements dotés d’épaulements sur les bagues intérieure et extérieure, l’amélioration du contact entre l’extrémité du rouleau et l’épaulement modifiée se traduit par une augmentation de la capacité de charge axiale.

L’introduction en 1984 du profil logarithmique des pistes de roulement à rouleaux permet une répartition optimale de la charge entre les rouleaux et les pistes, réduit considérablement le risque de charges de bord et augmente la fiabilité opérationnelle, y compris dans des applications caractérisées par un défaut d’alignement ou une flexion de l’arbre (se bild . 6).

Améliorations marquantes
Le nouveau millénaire s’ouvre avec l’introduction des roulements à rouleaux cylindriques SKF Explorer (se bild . 7). Ces derniers bénéficient d’un certain nombre d’améliorations :

• Le matériau utilisé est un acier extrêmement propre et homogène avec un nombre d’inclusions minimum. La teneur en oxygène, qui est un indicateur de propreté, a été réduite à des niveaux extrêmement faibles. Il en résulte une meilleure résistance à la fatigue au niveau des éléments roulants et une durée de service accrue du roulement.
• De nouvelles procédures de traitement thermique optimisent la résistance du roulement aux dommages subis en fonctionnement et aux températures extrêmes sans affecter sa stabilité dimensionnelle.
• La dureté des bagues et rouleaux a été sélectionnée en vue de performances optimales. Ces éléments sont ainsi moins sensibles aux contaminants et offrent une durée de vie extrêmement longue.
• Des processus de fabrication améliorés ont contribué à augmenter la qualité des produits de manière significative. Concrètement, les bagues présentent une plus grande circularité et l’écart par rapport à la forme optimale des rouleaux a pu être réduit. Les résultats obtenus en termes de tolérances plus serrées peuvent passer inaperçus. En revanche, le fonctionnement plus silencieux des roulements et la diminution des vibrations constituent des améliorations palpables.
• Le profil de contact logarithmique des rouleaux a été de nouveau amélioré. Les roulements sont encore moins sensibles aux légers défauts d’alignement et supportent des charges plus élevées.
• Optimisation de la zone de contact entre l’extrémité du rouleau et l’épaulement modifiée.
• Le fini de surface des pistes de roulement au niveau des bagues et des rouleaux a été amélioré pour offrir de meilleures conditions de lubrification et un allongement de la durée de vie, même en cas de lubrification insuffisante.
• Les roulements SKF Explorer sont disponibles avec des cages de différents types et matériaux pour convenir à différentes conditions de service. La conception de toutes les cages utilisées dans les roulements SKF Explorer garantit une lubrification adaptée de toutes les surfaces de contact, y compris lors d’interruptions occasionnelles de l’approvisionnement en lubrifiant.

Ces améliorations ont été confirmées par des tests de durée de service approfondis.

Les roulements à rouleaux cylindriques à une rangée SKF Explorer établissent de nouveaux standards en termes de performance et d’endurance. Ils offrent une capacité de charge dynamique accrue et durent jusqu’à trois fois plus longtemps que le précédent standard. Ces roulements sont identifiés par le suffixe de désignation/PEX.

Les améliorations apportées aux roulements à rouleaux cylindriques SKF au cours du siècle écoulé ont permis de réduire leur encombrement tout en préservant le niveau de performance requis (se bild . 8). Le frottement plus faible et la diminution considérable du poids du roulement se traduisent par une baisse de la consommation d’énergie.

Dans certains domaines d’application, comme l’exploitation minière et les réducteurs industriels, destinés notamment aux éoliennes, une capacité de charge élevée est primordiale pour garantir une fiabilité opérationnelle élevée. SKF a ainsi mis au point le roulement à rouleaux cylindriques haute capacité (se bild . 9a et 9b). Ces roulements SKF Explorer présentent un nombre de rouleaux supérieur à celui des roulements SKF Explorer standard pour des dimensions d’encombrement et dimensions internes principales similaires. L’épaisseur reste inchangée par rapport au roulement de type E dont le succès ne se dément pas depuis 45 ans.

L’innovation réside dans la conception de la cage. Dans un roulement à rouleaux cylindriques haute capacité, la cage est soit disposée au-dessus soit au-dessous du diamètre primitif et guidée par l’épaulement de la bague. Cette cage à fenêtre emboutie en acier est très résistante – par rapport à une cage massive en deux parties en laiton – malgré un nombre de rouleaux supérieur.

Par rapport aux roulements standard et selon le type de cage, le nombre de rouleaux dans le roulement peut être augmenté de une à deux unités pour les roulements de la série 23 et de une à trois unités pour les roulements de la série 22.

Des roulements à rouleaux cylindriques haute capacité SKF de plusieurs dimensions sont en service depuis plusieurs années dans des applications d’éoliennes.

Enfin, pour répondre aux exigences croissantes de réduction du frottement et, par ce biais, de la consommation d’énergie, SKF a lancé en 2007 le concept de roulements éco-énergétiques. Les premiers roulements à rouleaux cylindriques éco-énergétiques SKF (E2) mis au point sont des roulements de dimensions moyennes de la série NJ. Par rapport au roulement SKF standard actuel, les nouveaux roulements à rouleaux cylindriques SKF E2 (se bild . 10) offrent jusqu’à 85 % de réduction du couple de frottement dans les applications soumises à des charges axiales (se bild . 11) ainsi qu’une capacité de charge dynamique supérieure. Ces nouveaux roulements à très faible frottement sont destinés à une grande variété d’applications et, plus particulièrement, aux transmissions industrielles et transmissions d’éoliennes.

Les caractéristiques clés sont un frottement plus faible, induisant des températures de service inférieures, de meilleures conditions de lubrification et une capacité de charge axiale supérieure. Sans oublier une consommation d’énergie plus faible et une efficacité accrue pour des coûts et des émissions réduits, le tout associé à des vitesses de fonctionnement supérieures (+10 % par rapport à des produits standard). Ces dernières améliorations apportées au roulement à rouleaux cylindriques se traduisent par une durée de service et une fiabilité accrues. Ces nouveaux modèles de roulements s’inscrivent dans une longue tradition de roulements à rouleaux qui ont toujours su satisfaire aux exigences de leur époque.