Pour la déterminationde la capacité de charge axiale dynamique des roulements à rouleaux cylindriques, les critères pris en compte diffèrent de ceux utilisés pour la capacité de charge radiale. Il s’agit des limites de l’application liées à l’usure, l’échauffement, le grippage dans la zone de contact des épaulements et le risque de rupture de l’épaulement.

Suite à ces travaux, la formule décrite dans le catalogue SKF actuel pour la capacité de charge axiale dynamique a été révisée et de nouveaux paramètres ont été intégrés, notamment concernant le refroidissement par circulation d’huile.

Conception et application des roulements à rouleaux cylindriques
Dans de nombreuses applications, des roulements à rouleaux cylindriques (modèles N et NU) sont utilisés comme palier libre pour permettre un déplacement axial de l’arbre par rapport au logement à l’intérieur du roulement, par exemple en cas de dilatation thermique de l’arbre. Or, ces roulements supportent uniquement des charges radiales. Les roulements à rouleaux cylindriques dont les deux bagues possèdent un épaulement peuvent, en revanche, supporter des charges axiales s’exerçant dans un seul sens, pour les roulements de type NJ, et dans les deux sens, pour les roulements de type NUP ou NJ+HJ (se bild . 1). La transmission d’une charge axiale d’une bague à l’autre s’opère entre les épaulements et les faces latérales des rouleaux (se bild . 2). Les conditions cinématiques au niveau de ces contacts rouleaux/épaulements entraînent toujours un certain glissement dans la zone de contact (se bild . 3) et, par conséquent, une augmentation du frottement total dans le roulement. Pour y remédier, SKF s’efforce continuellement d’améliorer les profils des épaulements et des faces des rouleaux. Actuellement, les épaulements présentent une forme légèrement évasée et les faces des rouleaux sont « adoucies » par un profil de type logarithmique. Cette conception garantit une zone de contact proche du dégagement de l’épaulement de manière à obtenir un film lubrifiant toujours optimal, même en cas de basculement ou d’inclinaison des rouleaux. Il en résulte une diminution du frottement par glissement et des contraintes dans le dégagement.

Restrictions d’application
La capacité de charge radiale des roulements à rouleaux cylindriques est déterminée à partir de la théorie « classique » de la fatigue interne. Pour les roulements à rouleaux cylindriques exposés à des charges axiales, les critères suivants doivent toutefois être pris en compte :

• dégagement de chaleur dû au glissement au niveau du contact rouleau/épaulement ;
• usure au niveau des épaulements et des faces des rouleaux ;
• grippage au niveau du contact rouleau/épaulement (se bild . 4) ;
• conditions cinématiques perturbées en cas de charge axiale excessive par rapport à la charge radiale ;
• rupture d’un épaulement due à une charge dynamique ou statique excessive ;
• durée de vie réduite de la graisse impliquant des intervalles de relubrification plus courts en cas de charge axiale constante.

Capacité de charge axiale dynamique
La capacité de charge axiale dynamique correspond à la charge axiale admissible garantissant une température de fonctionnement du roulement stable, supérieure de 60°C à la température ambiante.

Autrement dit, à cette température, la chaleur générée à l’intérieur du roulement par le frottement est égale à la chaleur évacuée via l’arbre et le palier. Ce critère constitue une bonne indication pour un fonctionnement sûr sans grippage dans la zone de contact des épaulements, sous réserve de conditions de lubrification satisfaisantes (rapport de viscosité  2). La formule du catalogue SKF actuel, basée sur un coefficient de perte de chaleur spécifique constant pour toutes les tailles de roulements et sur un modèle de frottement tenant compte des profils et des états de surface spécifiques à SKF, est la suivante :

avec :

F_ap    charge axiale admissible [kN]
C₀    charge statique de base [kN]
F_r   charge radiale [kN]
n    vitesse de rotation de la bague intérieure [tr/min]
d    diamètre d’alésage du roulement [mm]
D    diamètre extérieur du roulement [mm]
B    largeur du roulement [mm]
k₁, k₂    coefficients (=> tableau 1)

Nouvelles avancées
La formule du catalogue SKF (1) a été élaborée dans les années 1980. Sa fiabilité a été confirmée par la bonne concordance des résultats expérimentaux et des retours d’informations du terrain. Au cours de ces dernières années, suite au développement rapide de modèles de réducteurs industriels de taille et de densité de puissance plus importantes, la capacité de charge axiale dynamique actuelle des roulements à rouleaux cylindriques de grandes dimensions a montré des limites, en particulier pour les éoliennes.

Un coefficient de perte de chaleur spécifique constant pour toutes les tailles de roulements semble désormais constituer une hypothèse trop optimiste pour les roulements de grandes dimensions. Par conséquent, de nouveaux coefficients ont été déterminés à partir des résultats d’expériences et de la norme ISO 15312:2003 pour les roulements présentant une surface thermoconductrice de A_r > 50 000 mm² avec A_r =  . B . (D + d), voir se bild . 5. Inséré dans (1), cela donne :

Pour A_r = 50 000 mm² :

Pour A_r > 50 000 mm² :

Dispositif de refroidissement supplémentaire
Dans les cas où la composante axiale de la charge dépasse la valeur théorique fournie par les formules (1) ou (2), un dispositif de refroidissement supplémentaire permet d’augmenter la charge axiale admissible dans une certaine mesure. Dans le cas d’un débit constant de l’huile à travers le roulement avec une différence de température  [°C] entre l’huile entrante et l’huile sortante et un volume _s [l/min], la charge axiale admissible F_ap.oil [kN] devient alors :

Ainsi une partie de l’énergie de frottement générée à l’intérieur du roulement est évacuée par la circulation de l’huile.

Comparaison
Dans les gros réducteurs industriels, les roulements à rouleaux cylindriques de la série NJ 23.. EC sont soumis à des charges axiales relativement élevées. La se bild . 6 établit le parallèle entre la capacité de charge dynamique et la taille du roulement.

Pour des diamètres d’alésage d=85 mm, la formule du catalogue actuel reste applicable, à la différence près que la charge axiale admissible peut désormais être augmentée grâce au refroidissement par circulation l’huile.

Par exemple : un roulement NJ 2313 ECP peut supporter une charge axiale
F_ap.oil = 15 kN au lieu de F_ap = 9 kN si l’huile présente un débit _s = 0,4 l/min à travers le roulement et une température d’entrée  inférieure de 20°C à la température de fonctionnement du roulement pour les conditions de fonctionnement suivantes F_r = 29 kN et n = 1 600 tr/min.

Pour les roulements de la série NJ 23.. EC de diamètre d’alésage d>85 mm, il peut arriver que l’ « ancienne » formule fournisse des valeurs plutôt élevées, comme F_ap = 274 kN pour un roulement NJ 2360 ECMA avec F_r = 400 kN et n= 285 tr/min, qui selon les formules (2) et (3) ne sont
possibles qu’avec un débit d’huile _s = 11 l/min et  = 20°C.

Charges axiales alternées
De même, une valeur F_ap, déduite de (1) ou (2), deux fois supérieure est permise pendant « une courte période » sous l’effet d’une augmentation temporaire de 5°C maximum de la température de fonctionnement du roulement. Selon la taille du roulement, la charge et la vitesse, elle peut varier de quelques secondes seulement à plusieurs minutes. En règle générale, cette « courte période » peut être envisagée comme la durée nécessaire au roulement soumis à une charge axiale pour réaliser 1 000 tours.

Autres critères
À faible vitesse, la capacité de charge axiale d’un roulement à rouleaux cylindriques n’est pas limitée par l’énergie de frottement (grippage au niveau de la zone de contact des épaulements), mais par la résistance des épaulements. Des formules simples d’utilisation sont décrites dans le Catalogue général SKF. Toutefois, pour des cas critiques, l’application de calculs plus précis est préconisée. Des programmes d’analyse par
éléments finis (se bild . 7) peuvent par exemple être utilisés. SKF propose des conseils spécialisés dans le cadre de ses services d’assistance technique.

Bilan et perspectives
Grâce à la formule révisée de la capacité de charge axiale dynamique, il est désormais possible d’obtenir une estimation précise de la charge axiale admissible pour les roulements de grandes dimensions A_r > 50 000 mm². Il est ainsi envisageable de calculer soit le débit d’huile requis, soit l’augmentation tolérée de la charge axiale, ces nouvelles formules seront révisées en continu et devraient conduire à des valeurs encore plus élevées pour des performances toujours supérieures.