Roulement à rouleaux cylindriques haute capacité SKF

Selon la définition de l’ISO, un roulement à éléments jointifs est un roulement dépourvu de cage. Lorsque cette définition a été rédigée, il était techniquement impossible de concevoir un roulement doté d’une cage. SKF vient de réécrire le catalogue des possibilités.

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Résumé

Le roulement à rouleaux cylindriques haute capacité de SKF n’est qu’un exemple parmi tant d’autres des améliorations apportées à tous les produits SKF. Ce nouveau roulement offre une capacité de charge comparable à celle des roulements à rouleaux jointifs alliée aux avantages des roulements avec cage et joue un rôle significatif dans les efforts menés pour améliorer la fiabilité et réduire le poids et l’encombrement des machines de demain.

Alors que SKF célèbre son 100ème anniversaire, l’esprit d’innovation des débuts est toujours intact. Aujourd’hui, comme en 1907, des scientifiques et des ingénieurs travaillent sans relâche à travers toute l’entreprise pour optimiser la durée de service des roulements et améliorer la fiabilité des machines. Parmi les exemples les plus récents de cet esprit d’innovation se bild ure le nouveau roulement à rouleaux cylindriques haute capacité de SKF. Ce roulement a pour particularité d’offrir une capacité de charge considérablement supérieure tout en conservant des dimensions d’encombrement standard. En d’autres termes, les ingénieurs SKF sont parvenus à créer un roulement alliant une capacité de charge comparable à celle d’un roulement à éléments jointifs aux avantages d’un roulement avec cage (se bild . 1).

Lorsque SKF a introduit le roulement à rouleaux cylindriques de type E en 1960, ce lancement a été perçu comme une étape importante dans le développement des roulements à rouleaux cylindriques standard. Ce roulement, de dimensions d’encombrement standard, se distinguait par sa macro-géométrie interne. Les ingénieurs SKF avaient trouvé une manière d’optimiser le nombre des rouleaux, leur taille et l’épaisseur des bagues intérieure et extérieure pour augmenter la capacité de charge et la durée de vie nominale des roulements. Dans les années 1980, les ingénieurs SKF sont allés plus loin avec le type EC, d’une capacité de charge axiale supérieure ; en 2002, les roulements à rouleaux cylindriques SKF Explorer ont fait leur apparition. Les roulements SKF Explorer tirent profit des avancées réalisées dans le domaine des matériaux et des procédés de traitement thermique, mais c’est principalement par leur micro-géométrie qu’ils se démarquent des produits concurrents. En s’appuyant sur des connaissances accumulées au fil des ans et sur des logiciels propriétaires, les ingénieurs sont parvenus à optimiser les effets du film lubrifiant et à minimiser le frottement dans le roulement.

 

À propos de la capacité de charge

 

La capacité de charge se calcule à l’aide des formules standard ISO 76 et ISO 281. D’après ces formules, il existe deux façons d’accroître la capacité de charge d’un roulement tout en conservant des dimensions d’encombrement standard :

  • En augmentant les dimensions des rouleaux sans modifier leur nombre ;
  • Ou en augmentant le nombre de rouleaux sans modifier leurs dimensions.

D’un point de vue pratique, la première méthode pose un problème technique. Augmen­ter la taille des rouleaux implique de réduire l’épaisseur des bagues intérieure et extérieure, ainsi que la largeur des épaulements latéraux. Cela n’a aucune incidence pour le calcul de la capacité de charge théorique. Toutefois, dans la réalité, ces modifications ont pour effet de diminuer la rigidité des bagues et la résistance des épaulements. Pour l’utilisateur, le risque de micro-mouvements sur la portée est augmenté et peut conduire à la formation de rouille de contact ou au phénomène de roulage. Le recours à des rouleaux de grande taille a également pour conséquence d’accroître le risque de grippage, et donc d’endommagement, en raison de leur moment d’inertie plus élevé.

Ainsi, la première méthode, bien que convaincante sur le papier, ne peut être considérée comme une avancée. La seconde méthode, en revanche, offre des alternatives envisageables. Parallèlement aux améliorations antérieures apportées à la macro et à la micro-géométrie, les dimensions des rouleaux et l’épaisseur de paroi des bagues peuvent rester inchangées par rapport aux dimensions du type E populaire depuis 45 ans.

Toutefois, augmenter le nombre de rouleaux à l’intérieur d’une enveloppe définie n’est pas aussi simple qu’il y paraît.

 

« Ajouter des rouleaux » : facile à dire, difficile à faire

 

Les roulements se divisent en deux catégories : les roulements avec cage et les roulements à éléments jointifs. Dépourvus de cage, les roulements à éléments jointifs peuvent recevoir un nombre limité de rouleaux. Dans ce type de roulement, les rouleaux sont en contact direct les uns avec les autres, ce qui génère un glissement et augmente le frottement et le dégagement de chaleur. Cette caractéristique rend le roulement inadapté aux applications à grande vitesse car, dans ces circonstances, elle peut être à l’origine d’une usure et de défaillances prématurées du roulement. Une cage est donc indispensable pour les applications à grande vitesse.

Les roulements à rouleaux cylindriques de petites et moyennes dimensions sont équipés en version standard d’une cage massive en laiton, principalement pour empêcher le contact entre les rouleaux. Les barrettes de la cage, qui sont généralement orientées autour du cercle primitif des rouleaux, présentent une section définie de manière à optimiser la résistance mais limitent le nombre théorique possible de rouleaux. Toutefois, en décalant les barrettes de la cage par rapport au cercle primitif des rouleaux, il est possible de réduire l’écart entre les rouleaux et d’en intégrer un plus grand nombre. SKF a ainsi cherché à concevoir une nouvelle cage à fenêtres en acier.

De ces recherches sont nés deux modèles de cages de base : une cage guidée par l’épaulement de la bague extérieure (JA) et une cage guidée par l’épaulement de la bague intérieure (JB) (se bild . 2).

 

Plus que de simples barrettes

 

Les cages à fenêtre en acier de grandes dimensions ne datent pas d’aujourd’hui. Des cages mesurant jusqu’à 1 300 mm de diamètre sont utilisées dans des roulements à rouleaux coniques de grandes dimensions depuis des années avec d’excellents résultats. Cette fois-ci, il s’agissait de concevoir une cage présentant la même épaisseur de matériau que la cage d’un roulement à rouleaux coniques comparable et guidée par un épaulement pour de meilleures performances en cas d’accélérations radiales et de chocs. L’équipe de développement a cependant été confrontée à un certain nombre de questions : comment optimiser la résistance de la cage tout en favorisant la formation d’un film lubrifiant. L’équipe s’est également penchée sur les moyens de minimiser les concentrations de contraintes dans la zone de transition entre les barrettes de la cage et les bagues latérales.

L’équipe a découvert qu’il était possible de minimiser les concentrations de contraintes dans les zones critiques en polissant les transitions, en augmentant les rayons, en optimisant les coefficients d’épaisseur de paroi et en créant des dégagements appropriés (se bild . 3). Elle est allée encore plus loin pour obtenir des contacts tangentiels purs entre les rouleaux et les barrettes de la cage. Les angles de contact ont été optimisés et les barrettes, conçues avec une forme légèrement cintrée (se bild . 4). Cela a pour effet de réduire les pressions de contact, de favoriser la formation du film lubrifiant, mais aussi d’éviter les contacts de bord et, par conséquent, le phénomène localisé de raclage du lubrifiant.

Associées à l’utilisation de l’acier comme matériau et au guidage par un épaulement, elles donnent à la cage une résistance comparable à celle des modèles en laiton standard. Et ce qui est encore plus remarquable, c’est d’obtenir cette résistance en dépit d’un nombre de rouleaux supérieur.

Outre ce nouveau type de cage, les roulements à rouleaux cylindriques haute capacité sont équipés, en standard, de rouleaux et de bagues traités « black oxidizing » dans le but d’améliorer le comportement du roulement lors du rodage. Ce procédé de traitement de surface confère au roulement sa couleur noire.

Une fois les calculs théoriques et simulations terminés, le nouveau modèle de cage a été testé pendant plus d’un an. Ces essais, conduits sur des roulements à rouleaux cylindriques taille 2334, ont été mis au point dans le but d’améliorer les performances des deux variantes de cages haute capacité par rapport à celles massives en laiton guidées par un épaulement.

 

Essais fonctionnels et de vitesse

 

Pour évaluer la vitesse admissible et la stabilité de la cage, des valeurs n x dm (vitesse de rotation x diamètre moyen du roulement) jusqu’à 800 000 mm/min ont été appliquées sous des charges radiales et axiales alternées.

Les essais ont été menés dans deux situations de lubrification différentes. L’huile utilisée dans le premier cas présentait une viscosité adaptée pour fournir un film lubrifiant suffisant (Κ > 1,5). Dans l’autre cas, une huile de faible viscosité (Κ < 0,5) a été utilisée pour simuler des conditions de lubrification inappropriées. Une fois tous les tests terminés, un dernier essai d’une durée de 1 000 heures a été conduit. Durant les tests, tous les paramètres de performances clés comme les températures, les charges, la vitesse et les niveaux de vibration étaient surveillés en continu.  

Résultats

 

D’après les résultats des mesures et une inspection approfondie des différents composants du roulement à l’issue de l’essai, aucune restriction n’a pu être établie concernant les limites d’utilisation du roulement à rouleaux cylindriques haute capacité SKF comparé au roulement standard.

Par rapport à une cage massive en laiton, il est apparu que la section réduite de la cage haute capacité améliore la circulation de l’huile à travers le roulement. Un autre avantage de la cage haute capacité est son faible poids qui a pour effet de réduire les forces d’inertie. Cet atout peut s’avérer particulièrement important dans des applications caractérisées soit par des démarrages et des arrêts rapides et fréquents, soit par des accélérations radiales comme les roues planétaires.

 

Essais sous faibles charges

 

Outre les tests à grande vitesse et les essais de stabilité de la cage, d’autres essais ont également été réalisés dans des conditions de charges minimales pour étudier le risque de patinage des rouleaux, de grippage et d’autres dommages de nature à réduire la durée de service des roulements.

 

Résultats

 

Il a ainsi été démontré notamment que l’utilisation de la cage JB guidée par l’épaulement de la bague intérieure se traduit par une diminution du taux de glissement pouvant atteindre 50 % par rapport à l’utilisation d’une cage en laiton standard.

 

L’impact des éoliennes sur la technologie des roulements

 

Les besoins de densité de puissance et de fiabilité accrus, en particulier dans le secteur des éoliennes, ont conduit à un certain nombre d’avancées en matière de roulements, de joints, de lubrification et de maintenance conditionnelle. Les éoliennes constituent en effet l’un des domaines d’application des roulements à rouleaux cylindriques haute capacité. Les roulements utilisés sont principalement des roulements à rouleaux cylindriques des séries fortes 22 et 23 de moyennes et grandes dimensions (diamètre d’alésage de 150 mm à environ 300 mm). D’autres tailles peuvent être produites sur demande. Selon le type de cage, les roulements de la série 23 peuvent contenir jusqu’à deux rouleaux supplémentaires et les roulements de la série 22, trois rouleaux supplémentaires, voire plus, par rapport à un roulement standard de même taille. Il est à noter que, pour les roulements de la série 23, la cage JA contient un nombre de rouleaux similaire à celui du roulement à éléments jointifs ; la limite supérieure en termes de capacité de charge est ainsi atteinte.

Dans le cas d’une éolienne, cette capacité de charge accrue offre la possibilité de réduire l’encombrement ou d’augmenter la densité de puissance. Quelle que soit l’alternative choisie, c’est une avancée importante pour une application perchée en haut d’un mât à 90 mètres d’altitude.

Compte tenu de sa conception en décalage par rapport au cercle primitif des rouleaux, la cage n’est pas en mesure de retenir ces derniers et les bagues des roulements à rouleaux cylindriques haute capacité ne peuvent pas être montées séparément. Dans certaines applications, comme les roues planétaires des multiplicateurs d’éoliennes, le chemin de roulement de la bague extérieure est intégré dans l’alésage de la roue planétaire. La bague extérieure devenant superflue pour cette solution, le roulement est livré avec un manchon qui peut être utilisé pour le montage du roulement (se bild . 5).

Par le passé, les multiplicateurs planétaires des éoliennes de plus petite taille étaient souvent équipés de roulements à rouleaux cylindriques jointifs pour les roues planétaires. Ces roulements, appréciés pour leur capacité de charge élevée, généraient cependant un frottement plus important que les roulements avec cage, en raison du contact direct entre les rouleaux. Dans les multiplicateurs de taille inférieure, de tels roulements semblent donner satisfaction. Cependant, comme les éoliennes sont de plus en plus imposantes, le risque d’une défaillance prématurée de ces roulements due au grippage ou à une usure précoce ne cesse de croître.

 

Comparaison de différents types de roulements

 

La se bild ure 6 établit une comparaison entre différents types de roulements en prenant pour exemple un multiplicateur. Les roulements à rouleaux cylindriques standard équipés d’une cage en laiton offrent une durée de vie théorique inférieure par rapport aux roulements à rouleaux jointifs au sein de l’unité d’entraînement planétaire. Si l’on compare un roulement à rouleaux jointifs au roulement à rouleaux cylindriques haute capacité de SKF, l’écart se réduit. Et lorsque le roulement haute capacité est fabriqué dans la classe de performance SKF Explorer, sa durée de vie nominale dépasse celle d’un roulement à éléments jointifs.

Des résultats similaires peuvent être observés au niveau des arbres intermédiaire et de sortie d’une transmission à engrenage droit. Ce type de transmission ne peut être équipé d’un roulement à éléments jointifs en raison des vitesses élevées caractéristiques de l’application. La comparaison entre la durée de vie théorique du roulement standard avec cage et celle d’un roulement haute capacité de même taille (se bild . 7) montre que l’utilisation de ce dernier peut accroître la durée de l’application de 35 %. La cage guidée par l’épaulement de la bague intérieure est recommandée dans cette application en raison de sa résistance au grippage.