Les roulements - Généralités

Les roulements.


Depuis l'invention de la roue et son application, on recherche à
diminuer le glissement par frottements et à augmenter le roulement.

C'est Léonard de Vinci, au XVe siècle, qui le premier approcha les
formes des roulements actuels. L'industrialisation à la fin du XIXe
siècle, les premières productions en série d'automobiles, de cycles et de
machines diverses entraînèrent leur essor.


Dès 1920, la normalisation des roulements commence. De nos jours, les
roulements sont soumis à des normes internationales de manière à faciliter
leur remplacement standard. Plusieurs milliards de roulements sont
fabriqués chaque année, les deux tiers sont des roulements à billes à gorge
profonde.



1. Généralités.


1.1. Constitution des roulements.




[pic]

Figure 1 : Constitution d'un roulement

Le roulement est constitué d'une bague extérieure (BE) qui se
positionne dans son logement (alésage), d'une bague intérieure (BI) qui
s'ajuste sur l'arbre, d'éléments roulants (billes, rouleaux ou aiguilles)
de formes diverses qui roulent sur les chemins de roulement des bagues
extérieure et intérieure, d'une cage qui maintient les éléments roulants à
intervalles réguliers.

1.2. Charges supportées par les roulements.


Lors du chargement d'un roulement, il s'en suit une déformation du
roulement et donc du chemin de roulement. Cette déformation induit une
résistance au roulement. Cette résistance provoque un échauffement et, en
cas de lubrification insuffisante ou de charges excessives, le roulement
peut s'endommager.

Il est donc opportun de représenter le chargement d'un roulement. On
observe trois types de chargement différents :

1. Chargement radial (FR) : cette charge est perpendiculaire à l'axe
de rotation du roulement.

2. Chargement axial(Fa) : cette charge est parallèle à l'axe de
rotation du roulement.

3. Chargement combiné (F) : ce chargement est la combinaison des deux
chargements précédents.
[pic] [pic]
Figure 2 : Chargement radial Figure 3 : Chargement axial


[pic]

Figure 4 : Chargement combiné

1.3 Normalisation internationale des roulements (ISO).




1.3.1. Normalisation des dimensions.


Les dimensions principales des roulements sont normalisées. C'est
ainsi que l'on peut acheter un roulement similaire chez SKF ou FAG.

Les dimensions principales sont les suivantes : d (diamètre de la
bague intérieure), D (diamètre de la bague extérieure), B (largeur du
roulement) et r (rayon de l'arrondi des bagues).

Pour un même diamètre intérieur, on peut avoir plusieurs diamètres
extérieurs ainsi que plusieurs largeurs.
[pic]
Figure 5 : Séries de diamètres et de largeurs



1.3.2. Désignation.


La désignation des roulements est également normalisée par un document
ISO. Toutefois, nous ne la verrons pas car les grands constructeurs de
roulements (SKF et FAG, notamment) ne la respectent pas.





2. Différents types de roulements.


2.1. Les roulements à billes.


2.1.1. Roulements à billes à contact radial.

(Deep groove ball bearing)

Ce sont les roulements les plus répandus sur le marché. En effet, ils
supportent tous les types de chargements (modérés à moyens) : radial,
axial et combiné.

Ils existent selon différentes variantes : roulements à rainure pour
segment d'arrêt (maintenus axialement dans leur logement par un
segment d'arrêt), roulements étanches d'un ou des deux côtés (avec
flasques ou joints).

[pic] [pic] [pic] [pic]
Roulements de l'exécution de base Roulements à rainure
pour segment d'arrêt


[pic] [pic]
Roulements avec flasques Roulements avec joints

Figure 6 : Roulements à billes à contact radial





2.1.2. Roulements à billes à contact oblique.

(Angular contact ball bearing)

Ceux-ci supportent également tous les types de chargements mais
uniquement des charges axiales dans un seul sens. Les bagues
extérieure et intérieure ne sont pas séparables et les angles ? les
plus courants sont les suivants : 15, 25 et 40°.

Ils doivent être montés au minimum par paire et en opposition. On
peut ainsi régler le jeu interne de la liaison par précharge du
montage.

[pic] [pic] [pic] [pic]
Roulements à une rangée, exécution courante


[pic]

Point d'application de l'effort combiné

[pic]

Roulements à deux rangées

Figure 7 : Roulements à billes à contact oblique

2.1.3. Roulements à rotule sur billes.

(Self-aligning ball bearing)

[pic] [pic] [pic]

Figure 8 : Roulements à rotule sur billes

Dans ce cas, il n'y a qu'un chemin de roulement (sphérique) sur la
bague extérieure pour les deux rangées de billes. L'ensemble bague
intérieure-cage-éléments roulants peut donc basculer librement à
l'intérieur de la bague extérieure et compenser des défauts
d'alignement entre l'arbre et le logement. L'angle de basculement
maximal peut aller de 1,5 à 3°.








2.1.3. Butées à billes.

(Thrust ball bearing)

[pic] [pic]

Figure 9 : Butées à billes

Ce type de « roulements » est peu utilisé et ne peut pas reprendre
d'efforts radiaux. La vitesse de rotation doit être limitée à cause
de la force centrifuge sur les billes.




2.2. Les roulements à rouleaux.



L'avantage de ce type de roulements par rapport aux roulements à
billes




Exercices


Un roulement n° 6206 doit assurer une durée de vie calculée de 10000
heures. Il tourne à 1500 tr/min.

1. Quelle charge radiale maximum peut-il supporter ?
2. Peut-il supporter une charge axiale en même temps que la charge
radiale maximale et laquelle ?
3. Quelle charge axiale peut-il supporter en cas de charge radiale de 840
N ?


Un roulement n° 22326 C est soumis à une charge radiale de 100 kN.

On demande :

1. sa durée de vie s'il tourne à 630 tr/min ;
2. sa durée de vie, s'il est soumis, en plus, à une charge axiale :
a. de 30 kN ;
b. de 60 kN.


Un moteur électrique de 1600 W porte à l'extrémité de son axe une poulie de
50 mm de diamètre. Il tourne à 3000 tr/min et travaille aux ¾ de sa
puissance nominale. Par l'intermédiaire de courroies trapézoïdales, il
entraîne une poulie de 100 mm calée sur un axe portant à son extrémité une
hélice de ventilateur. Les 2 axes sont horizontaux et situés dans un même
plan vertical (axe moteur vers le bas). L'hélice est en porte-à-faux à 200
mm du palier voisin et la poulie, en porte-à-faux également, à 180 mm de
l'autre palier. La distance entre les deux paliers est de 600 mm.

Autres données

Diamètre des portées de roulements à l'axe du ventilateur : 40 mm (les deux
roulements sont à calage direct).
Masse de l'axe du ventilateur (sans poulie ni hélice) : 163,1 kg (masse
supposée également répartie sur les deux roulements).
Poussée de l'hélice : 900 N - Masse de la poulie : 10,2 kg - masse de
l'hélice : 30,6 kg.

On demande :

1. la durée de vie calculée des roulements de l'axe du ventilateur, l'un
du type rigide à une rangée de billes de la série de diamètre 3 du
côté de l'hélice ; l'autre à rouleaux cylindriques de série de
dimensions NU2. On négligera les balourds provenant de l'hélice ;
2. le balourd provoqué par l'hélice en supposant pour celui-ci une
excentricité d'un rayon de 0,2 mm pour le centre de gravité, ainsi que
la charge équivalente totale sur le roulement à billes en tenant
compte de ce balourd.


Un arbre monté sur deux roulements à rouleaux coniques porte, à une de ses
extrémités, une poulie plate et à l'autre extrémité un pignon moteur à
denture oblique. Le diamètre de la poulie est de 300 mm, la vitesse de
l'arbre est de 500 tr/min et la puissance transmise de 21,5 ch. La charge
sur la poulie agit dans le même plan que la charge sur le pignon résultant
des charges tangentielle et radiale, mais en sens opposé, de sorte que les
réactions sur les roulements s'additionnent. Cette charge résultante sur le
pignon est de 500 daN. Le pignon reçoit, en outre, une charge axiale de 80
daN dirigée vers la poulie. La distance entre la poulie et l'un des
roulements (ligne d'action des efforts) est de 180 mm. La distance entre le
pignon et l'autre roulement est également de 180 mm. La distance entre les
roulements (ligne d'action !) est de 400 mm. Les petits bouts des cuvettes
(bague extérieure) de chacun des roulements sont dirigés vers l'extérieur.
Les roulements prévus sont le 31312 côté pignon et 30312 côté poulie.

1. Quelles sont les résultantes Fr sur chacun des roulements ?
2. Quelles sont les charges axiales sur chacun des roulements ?
3. Quelles sont les charges équivalentes sur chacun des roulements ?
4. Quelles sont les durées de vie calculées ?
5. Quelle est la distance entre les cuvettes ?
6. Votre avis au sujet du choix des roulements ?


Un wagonnet à 2 essieux est équipé de boîtes TVN suivant le croquis ci-
dessous avec roulement n° 2307. La tare du wagonnet est de 600 daN et la
charge maximale de 1400 daN. Le diamètre des roues est de 300 mm,
l'écartement de 600 mm et la distance entre les trains de roues de 600 mm.
En courbe, le wagonnet subit une poussée totale contre le rail de 100 daN.
[pic]
On demande :

1. la charge statique sur chaque roulement à pleine charge et en ligne
droite ;
2. la charge équivalente à pleine charge sur chaque roulement, en
supposant un parcours de 50 % en ligne droite, de 25 % en courbe
gauche et de 25 % en courbe droite, le jeu axial des roulemen