Compétences en ingénierie

Des jeux de roulements robustes pour charges faibles

Les roulements à billes à contact oblique présentent généralement un angle de contact de 40°. SKF vient de compléter sa gamme avec une nouvelle série de roulements caractérisés par un angle de contact de 25°. Il est ainsi désormais possible d’obtenir facilement des jeux de roulements asymétriques pour remédier de manière extrêmement efficace aux problèmes de charge minimale fréquemment rencontrés dans les applications chargées axialement, comme les pompes et moteurs électriques, avec, à la clé, un allongement de la durée de service.

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Pour chaque roulement, le transfert des charges s’effectue selon un angle de contact donné. L’exemple le plus simple est celui du roulement rigide à billes. Dans ce cas, l’angle de contact pour des charges purement radiales est de 0°. En revanche, dans un roulement à billes à contact oblique, l’angle de contact est toujours supérieur à 0°.

Plus l’angle de contact est grand, plus la capacité de charge axiale du roulement augmente. Dans des cas extrêmes, l’angle de contact atteint 90°, il s’agit alors d’un roulement supportant des charges purement axiales. Les roulements à billes à contact oblique, quant à eux, fluctuent entre roulements supportant des charges purement radiales et purement axiales. Ils peuvent, par conséquent, supporter des charges combinées.

Des possibilités décuplées grâce à un angle de contact inférieur et une cage améliorée

SKF vient de lancer une large gamme de roulements à billes à contact oblique à une rangée. Ces roulements sont dotés d’une cage en laiton et se caractérisent par un angle de contact inférieur à l’angle habituel de 40°. Le tableau ci-dessous offre un aperçu de la nouvelle gamme de roulements à billes à contact oblique avec un angle de 25° (suffixe AC) :

La capacité de charge axiale est légèrement réduite du fait de l’angle de contact inférieur, mais celui-ci offre d’autres avantages. Par exemple, dans certaines conditions, le roulement peut atteindre des vitesses jusqu’à 20 % supérieures par rapport à un roulement avec un angle de contact de 40°. Les conditions cinématiques internes plus favorables minimisent en effet la composante de glissement et, par ce biais, l’échauffement. De plus, l’angle de contact inférieur se traduit par une rigidité radiale supérieure, ce qui est intéressant dans des applications où la charge radiale est dominante.

SKF a également optimisé le design de la cage en laiton sur les deux versions, à angle de contact de 25° et 40°. Grâce à son matériau plus résistant et à sa forme améliorée, la cage est désormais encore plus robuste et permet d’atteindre des vitesses supérieures.

En plus de toutes ces améliorations de performances, la cage présente un encombrement réduit par rapport au modèle précédent, ce qui laisse un plus grand volume disponible pour le lubrifiant et permet ainsi des intervalles de relubrification plus longs. Les niveaux vibratoires et sonores de la nouvelle cage en laiton sont, par ailleurs, réduits de 15 %.

Applications et montages

Les pompes, compresseurs et moteurs électriques constituent les applications les plus courantes pour les roulements à billes à contact oblique. Équipés des roulements à billes à contact oblique SKF améliorés, ils offrent un fonctionnement plus régulier et peuvent atteindre une plus longue durée de service.

Dans ces applications, les roulements à billes à contact oblique à une rangée sont généralement montés par paire (au minimum). La raison en est la suivante : lorsqu’un roulement à billes à contact oblique est soumis à une charge purement axiale ou radiale, son angle de contact génère immanquablement une force radiale ou axiale correspondante. Pour des raisons de conception, les charges axiales ne peuvent être absorbées que par un seul roulement dans une seule direction. Une charge exercée dans la direction opposée peut conduire à sa destruction, on parle alors de décollement du roulement non suffisamment chargé.

Comme dans la plupart des applications les forces axiales s’exercent dans les deux directions, les contres poussées doivent être supportées par le roulement opposé au roulement reprenant la charge axiale en cas de poussée sur la paire. La paire de roulements la plus simple est constituée de deux roulements à billes à contact oblique à deux rangées montés en « O » (d’après le dessin formé par les angles de contact). Des roulements à billes à contact oblique à une rangée universels peuvent également être combinés de différentes manières dans des montages en O et en X.

Roulements à billes à contact oblique appariés

Les paires de roulements à billes à contact oblique offrent différentes options pour le réglage de la précharge ou du jeu. La méthode la plus courante consiste à utiliser des roulements dits « à appariement universel » (également « roulements universels »). L’avantage des roulements universels est qu’ils sont déjà appariés en usine, de sorte que lorsque deux roulements sont montés l’un à côté de l’autre, une précharge ou un jeu donné(e) est obtenu(e). Le jeu initial entre les bagues intérieures ou extérieures des roulements peut être réduit en serrant les roulements.

Pour atteindre l’effort de précharge/le jeu de roulement exact(e), une tolérance très étroite de l’ordre de quelques microns seulement est requise pour le jeu résiduel et le porte-à-faux.

Le montage est ainsi considérablement simplifié avec des roulements universels. Les autres méthodes de montage conventionnelles nécessitent souvent plus d’effort. Par exemple, la précharge du roulement peut également être réglée en insérant des entretoises spécifiques dans le palier ou sur l’arbre. Cela nécessite cependant de mesurer les déports de bagues de roulements, ce qui n’est pas simple, et de fabriquer des entretoises individuelles pour chaque paire de roulements.

Pour réduire les coûts de montage, les nouveaux roulements à billes à contact oblique de 25°, AC, sont fournis en version à appariement universel dans la classe SKF Explorer. Différentes classes de précharge et de jeu sont, en outre, possibles sur demande.

Jeux de roulements mixtes

Souvent, dans les jeux de roulements à billes à contact oblique, la charge axiale s’exerce principalement dans une direction. C’est, par exemple, le cas des ventilateurs et pompes qui tournent principalement dans un seul sens. Dans ce type d’applications, un roulement à billes à contact oblique est utilisé pour supporter la charge axiale, tandis que le second roulement à billes à contact oblique, dit « roulement auxiliaire », n’est pas chargé.

Toutefois, les roulements exigent toujours une certaine charge minimale sur les éléments roulants pour un fonctionnement optimal. Or, il existe un risque élevé que cette charge minimale ne soit pas atteinte sur le roulement non chargé. Le comportement de roulement des billes risque alors d’être perturbé (mouvements de glissement au niveau du contact roulant). Cela peut conduire à un « grippage » entraînant une élévation de la température et une défaillance prématurée du roulement due à une altération de la surface et/ou une rupture de la cage.

Avantages des jeux de roulements mixtes

Auparavant, pour ces applications caractérisées par une charge axiale dominante sur un seul côté, on utilisait souvent des jeux de roulements constitués de deux roulements identiques à une rangée avec un angle de contact de 40°. Ce montage n’est cependant pas optimal car le grand angle de 40° est plus susceptible d’induire des avaries liées au non-respect des conditions de charge minimale lorsque le roulement n’est pas chargé.

Les nouvelles séries à angle de contact de 25° permettent désormais d’obtenir des jeux asymétriques avec des roulements présentant des angles de contact différents, de 25° et 40°. Cette combinaison offre des avantages considérables. Dans le jeu de roulements asymétrique, la charge axiale dominante est absorbée via le grand angle de contact (B = 40°), tandis que l’angle de contact plus petit (AC = 25°C) du roulement non chargé réduit le risque de grippage, en augmentant le seuil limite avant décollement du roulement. L’effort de décollement correspond à la charge axiale externe exercée sur un jeu de roulements préchargé pour laquelle le roulement auxiliaire de la paire se trouve complètement déchargé et la charge minimale requise n’est plus garantie.

Concrètement, cela signifie que grâce à son angle de contact plus petit, de 25°, le roulement auxiliaire soumis à la même charge externe est moins déchargé. Le risque de défaillance prématurée est considérablement réduit, d’où une meilleure fiabilité de fonctionnement.

Flexion et répartition des forces dans les jeux de roulements préchargés asymétriques

Les avantages offerts par une paire de roulements asymétrique en matière de répartition des charges internes peuvent être illustrés par l’exemple d’un jeu de roulements préchargé constitué de deux roulements à billes à contact oblique montés en O, soumis à une charge purement axiale F (flèche rouge). Le roulement à angle de contact de 40° absorbe la charge axiale, tandis que le roulement à angle de contact de 25° est déchargé.

Le déplacement axial est représenté sur l’axe x et la charge, sur l’axe y. La courbe verte correspond au roulement à angle de contact de 25° et la courbe bleue, au roulement à angle de contact de 40°. Le repère 1 indique des rapports de charge sans charge externe. Le repère 2 indique les rapports de charge avec une charge axiale externe F1 égale à l’effort de décollement du roulement à angle de contact de 40°. Le repère 3 indique les rapports de charge avec une charge axiale externe F2 égale à l’effort de décollement du roulement à angle de contact de 25°.

Repère 1 : rapports de charge après montage sans charge externe

À l’intersection entre les lignes bleue et verte (précisément sur l’axe y), aucune force externe n’est exercée. Les deux roulements sont chargés uniquement avec la précharge définie. Cet exemple se base, à des fins de simplifications, sur une force de précharge Fprécharge = 1.

Repères 2 et 3, de manière générale : rapports de charge lorsqu’une charge axiale externe est appliquée en plus de la précharge

Lorsqu’une charge axiale externe est appliquée en plus de la précharge, un déplacement s’opère depuis l’intersection au milieu vers la droite du schéma. La charge F s’exerce sur le roulement à angle de contact de 40° (en bleu) en plus de l’effort de précharge définie, c’est pourquoi la courbe bleue est ascendante. En parallèle, la charge F décharge le roulement à angle de contact de 25° (en vert), d’où la courbe verte descendante. Dès que la courbe verte rencontre l’axe x, la précharge est épuisée et le roulement n’est plus chargé. Cette situation doit être évitée à tout prix.
La courbe en pointillés gris permet d’établir une comparaison avec un roulement auxiliaire à angle de contact de 40°C. Elle représente la flexion dans le cas d’un jeu conventionnel constitué de roulements présentant un angle de contact identique (40° + 40°).

Repère 2, en détail : force F1(40°) et force F1(25°)

La différence entre un jeu conventionnel (40° + 40°) et un jeu asymétrique (40° + 25°) est ici particulièrement claire. La charge externe est exactement la même dans les deux cas (F1(40°) = F1(25°) = 2,8 x Fprécharge). Pourtant, les jeux de roulements présentent des déplacements axiaux différents.
La charge F1(40°) est représentée par une ligne en pointillés, et la charge F1(25°), par une ligne pleine. Avec un jeu conventionnel de deux roulements avec un angle de contact de 40°, le seuil de l’effort de décollement ne serait pas atteint à ce stade. La courbe en pointillés grise montre le déplacement axial d’un roulement auxiliaire à angle de contact de 40°. Elle coupe l’axe x. La précharge est complètement épuisée (intersection des lignes en pointillés, dans le carré jaune). Ce point se situe à environ 2,8 fois la force de précharge.
Avec le jeu asymétrique soumis à la même force, il reste, en revanche, une certaine précharge résiduelle à l’intérieur du roulement. La courbe verte reste en effet au-dessus de l’axe x (intersection des lignes pleines, dans le carré jaune).

Repère 3, en détail : force F2

Ce repère correspond au seuil de l’effort de décollement pour le roulement auxiliaire de 25° d’angle de contact. On remarque que la charge F2 est nettement supérieure à la charge F1. Concrètement, ce seuil se situe à environ 5,2 fois l’effort de précharge. Cela signifie que le jeu de roulements asymétrique peut absorber des charges axiales près de deux fois plus élevées, par rapport à un jeu de roulements homogène, et ce, sans que le roulement auxiliaire ne soit déchargé.

Le roulement avec un angle de contact de 25° est, par conséquent, bien plus approprié comme roulement auxiliaire.

Conclusion

La nouvelle génération de roulements à billes à contact oblique de 25° offre une solution idéale pour les roulements auxiliaires. Dans les applications où la charge axiale domine et s’exerce dans une seule direction notamment, il est recommandé d’inclure un jeu de roulements asymétrique dans le montage pour éviter les problèmes de charge minimale non atteinte et, par conséquent, les problèmes de décollement du roulement auxiliaire.

De plus, les roulements à angle de contact de 25° peuvent également être utilisés dans des applications où des vitesses supérieures et/ou une rigidité radiale accrue sont requises.

Correctement utilisé, le jeu de roulements intégrant un roulement à angle de contact de 25° peut également être conçu avec une précharge inférieure ou un jeu axial supérieur pour abaisser les pressions de contact internes et, par ce biais, réduire le frottement et allonger la durée de service des roulements.

L’extension de la gamme de roulements à billes à contact oblique SKF aux roulements à angle de contact de 25° offre de nouvelles possibilités aux concepteurs pour garantir un support optimal dans des applications extrêmement variées. Le service de conseils techniques de SKF est à votre disposition pour vous aider à sélectionner les roulements les plus adaptés à chaque projet.