Roulements - Étude générale

L'idée qui consiste à remplacer le glissement avec frottement par du roulement remonte à l'Antiquité. Les Assyriens et les Égyptiens utilisèrent ce principe pour construire leurs édifices. Dès cette époque, les axes des chariots commencèrent à utiliser des sortes de roulements à rouleaux.

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.

En 1920 la normalisation commence. La technique du roulement est aujourd'hui à maturité, elle est soumise aux normes internationales... Composants de base d'un grand nombre de machines les roulements, moins de 1 mm à plus de 7 m, sont des pièces de précision et de qualité. Plusieurs milliards en sont fabriqués chaque année, les deux tiers sont des roulements rigides à billes (à contact radial).

I - Généralités

1. Constitution des roulements

Principaux éléments d'un roulement.

- La bague extérieure : qui se positionne dans le logement.

- La bague intérieure : qui s'ajuste sur l'arbre.

- Les éléments roulants : billes ou rouleaux de formes diverses qui roulent sur les chemins des deux bagues.

- La cage : qui maintient les éléments roulants à intervalles réguliers.

1. Constitution d'un roulement rigide à billes.

2. Phénomène de résistance au roulement

Sous charge, la zone de contact entre chemin et élément roulant se comprime, puis se détend après passage, comme un ressort. En mouvement, il en résulte, devant l'élément roulant, la formation d'un bourrelet métallique s'opposant au mouvement. C'est le phénomène de résistance au roulement.

À ce phénomène, s'ajoute parfois des frottements parasites supplémentaires entre éléments roulants et certaines parties des chemins.

2. Phénomène de résistance au roulement.

Couple de résistance au roulement (Cf) : il permet d'évaluer la résistance générale à l'avancement (en rotation) d'un roulement. Sa valeur approximative est :

cf = f.F_r.R_m

avec

f : « frottement interne » du roulement

F_r : charge radiale exercée

Cf : couple résistant

R_m : rayon moyen =(d + D)/2

Remarques : ces valeurs sont à comparer avec le frottement interne des coussinets variant entre 0,05 et 0,15 suivant les réalisations : Nylon, PTFE...

3. Charges supportées par les roulements

Les actions mécaniques de contact exercées par les éléments roulants sur l'une ou l'autre bague sont en général schématisées par des forces ou des charges.

On observe trois cas : 

a) Charge radiale (F_r) : sa direction, perpendiculaire à l'axe de rotation, passe par le centre géo- métrique du roulement. F_r est toujours portée par un rayon, d'où le nom de charge radiale.

b) Charge axiale (F_a) : sa direction est celle de l'axe de rotation du roulement.

c) Charge combinée (F) : c'est la combinaison des deux cas précédents. La direction de F, quel- conque, passe par le centre géométrique du roulement.

- La projection de F sur l'axe de rotation donne une composante axiale F_a.

- La projection de F sur un rayon perpendiculaire à l'axe donne une composante radiale F_r

Remarque : F_a et F_r sont deux projections orthogonales possibles de F.

3. Charges supportées par un roulement.

4. Normalisation internationale des roulements (ISO)

Reprise par l'AFNOR, elle porte sur les dimensions, les tolérances de fabrication, les contrôles de qualités, les conditions d'utilisation, les méthodes de calculs et les accessoires utilisés : écrous à encoches, manchons coniques...

a) Désignation

4. Désignation normalisée des roulements.
6 : rit rigide à billes ; 3 = 03, largeur 0, 03 ; 07 : d = 35.

Remarque : le numéro complémentaire précise les particularités : cages, flasques, joints, jeu interne, tolérances, lubrifiant, exigences spéciales... 2 ZNR = 2 flasques + rainure + segment d'arrêt.

b) Normalisation des dimensions : les principales dimensions normalisées sont le diamètre de l'alésage du roulement (d), le diamètre extérieur (D), la largeur (B) et le rayon de l'arrondi des bagues (r). Pour un même alésage d, plusieurs D (séries : 7-8-9-0-1-2-3-4) sont possibles et inversement. Pour un même couple (ci et D), plusieurs largeurs B sont possibles (séries de largeurs : 0-1-2-3-4) (fig. 6).
 

5. À un même diamètre d'arbre correspond plusieurs diamètres extérieurs D, et inversement.

6. Séries de diamètres (autres cas : 8-9)
et séries de largeurs (autres cas : 4-5-6-8).

c) Normalisation des classes de tolérances du jeu interne et des matériaux

Cinq classes de tolérances sont proposées : 0-6-5-4-2 avec des caractéristiques de plus en plus serrées en allant de 0 à 2. La classe 0 est la plus courante : roulements sans spécifications particulières. De la même manière il existe cinq catégories de jeu interne (C₁ à C₅).

Pour chaque classe sont définies : la précision des dimensions (d, D, B et r), le voilage axial, le voilage radial, le faux rond et le parallélisme des faces latérales.

- Autres matériaux : oxydes d'aluminium, céramiques, plastiques, etc. (T S? 550 °C). Les cages des roulements sont fabriqués en acier, en polyamide, en bronze...

II - Différents types de roulements

1. Roulements à billes

a) Roulements à billes à contact radial : très économiques, ce sont les plus utilisés en petites et moyennes dimensions. Ils supportent tous les types de charges (modérées à moyennes) : axiales, radiales et combinées. Sous charge, ils se comportent comme un roulement à contact oblique dont l'angle d'inclinaison (a) serait variable.

Variantes : versions avec rainure et segment d'arrêt, versions étanches d'un ou des deux côtés (étanchéité par flasques en tôle ou par joints élastomères). Les versions étanches des deux côtés sont graissées à vie.

7. Principaux roulements rigides à billes
(ou à gorges profondes ou contact radial).

b) Roulements à contact oblique : ils supportent tous les types de charge mais uniquement des charges axiales dans un seul sens (point d'application le centre de poussée J). Les bagues ne sont pas séparables. Les angles a de 15°, 25° et 40° sont les plus courants.

Ils doivent être montés au minimum par paire et en opposition ; ils offrent la possibilité de régler le jeu interne de la liaison par précharge du montage.

La version à deux rangées peut être utilisée seule (cas d'arbre court).

8. Roulements à contact oblique et schématisation

c) Roulements à rotule sur billes : le chemin extérieur est sphérique. Ils supportent tous les types de charges, mais faiblement les charges axiales. L'angle de rotulage, assez important (entre 2,5 et 4°), autorisent les défauts d'alignement des portées de paliers et des flexions d'arbres élevées. Les variantes à alésage conique s'utilisent avec des manchons de serrage ou de démontage (pour montage sur arbre lisse avec paliers « semelle ou applique »).

9. Roulement à rotule sur billes.

d) Butées à billes : peu utilisées, elles supportent des charges axiales uniquement dans un seul sens. Les vitesses de rotation sont limitées à cause de la force centrifuge sur les billes. Certaines versions ont des rondelles sphériques pour compenser des défauts d'alignement. Ne réalisant aucun centrage arbre/logement, elles doivent être montées avec d'autres types de roulements.

10. Butées à billes

2. Roulements à rouleaux

L'effort de contact rouleau/chemin est réparti sur une ligne (un « point » dans le cas des billes). En conséquence, à taille identique, ils supportent des charges plus élevées que les roulements à billes (capacités de charge plus élevées).

Ils sont conseillés en cas de chocs, vibrations et surcharges possibles. En revanche, les vitesses de rotation permises sont un peu plus faibles et ils sont plus coûteux.

a) Roulements à rouleaux cylindriques : ils supportent des charges radiales importantes mais pas les charges axiales, sauf les versions épaulées NJ avec F_a ≈ F_r/10. Les vitesses de rotation permises sont assez élevées. Les deux bagues sont dissociables ou séparables, ce qui facilite les montages et démontages. Ils compensent peu, ou pas, les défauts d'alignement et les flexions d'arbres, les versions à deux rangées ne compensant rien. En conséquence, les portées d'arbre et de logement devront présenter une très bonne coaxialité.

11. Principaux roulements à rouleaux cylindriques et schémas usuels

b) Roulements à rotule sur rouleaux : ils présentent les mêmes caractéristiques que les. versions sur billes. Les rouleaux ont la forme de tonnelets. La capacité de charge est très élevée et les vitesses permises modérées. Les frottements internes élevés imposent une lubrification à l'huile.

12. Roulements à rotule sur rouleaux.

c) Roulements à rouleaux coniques : ils présentent les mêmes principes que les billes à contact oblique : P, point d'application des charges ; charges axiales dans un seul sens ; montage minimum par paire et en opposition ; possibilité de réglage du jeu interne de fonctionnement par pré-charge.

Les rouleaux ont une forme conique. Tous les cônes des bagues et des rouleaux ont même sommet. Les fréquences de rotation permises sont moyennes. La bague extérieure est séparable. Ils sont très appréciés là où le gain de poids et de place sont recherchés, le rapport « capacité de charge/poids » est élevé (aviation, automobile...).

13. Roulements à rouleaux coniques : principales variantes et schématisation
; ancienne norme

15. Caractéristiques générales des roulements à rouleaux coniques.

d) Butées à rotule sur rouleaux

Elles se comportent comme une rotule et supportent des charges axiales élevées. La vitesse de rotation doit être modérée. Elles sont généralement lubrifiées à l'huile (pour grosse machinerie).

e) Roulements à aiguilles

Souvent utilisés, comparables aux roulements à rouleaux cylindriques, ils sont peu encombrants radialement et de prix modique ; ils supportent uniquement des charges radiales. Il existe un grand nombre de variantes et certaines ne sont pas normalisées.

Ils peuvent être montés sans bague intérieure (douilles et roulements) et même sans bague extérieure (cages à aiguilles). La dureté requise des chemins en contact avec les éléments roulants doit être au minimum de 58 HRc (R_a de l'ordre de 0,4 maxi).

16. Roulement à rotule sur rouleaux.

17. Roulements, douilles et cages à aiguilles : principales variantes.

III - Choix d'un type de roulement

Il est toujours judicieux d'envisager au préalable une solution utilisant les roulements les plus économiques : billes à contact radial, rouleaux cylindriques et aiguilles. À eux seuls ils représentent plus de 80 % des roulements vendus.

Un roulement plus coûteux au départ peut parfois simplifier le montage, les opérations de maintenance et diminuer le coup global d'un appareil.

Critères de choix

- Nature des charges : axiale, radiale ou combinée.

- Importance des charges (intensité).

-Vitesse de rotation.

- Perturbations : chocs, vibrations, niveau sonore...

- Montage et démontage : mise en place, accessibilité, réglage...

-Précision exigée : coaxialité, faux rond, précision de rotation... 

- Rigidité exigée : déformations admissibles, désalignement des paliers...

- Encombrement, place disponible, dimensions des roulements.

- Longévité, durée de vie souhaitée.

- Conditions ambiantes : pollution, températures, lubrification, prix et disponibilité...

Remarques:

 - Les roulements à billes à contact radial conviennent parfaitement aux petits paliers fonctionnant à grande vitesse.

- Pour les gros paliers fortement chargés les roulements à rouleaux sont les seuls possibles.

- S'il y a des défauts d'alignement appréciables, les roulements à rotule sont à choisir.

- Certains roulements ne supportent qu'un type de charge : axiale pour les butées, radiale pour les aiguilles et les rouleaux cylindriques non épaulés.

- Les roulements à rouleaux coniques supportent, à dimensions et à masse égale, des charges combinées plus élevées que les billes à contact radial. Le réglage automatisé du jeu est possible en grandes séries. Ils sont utilisés dans de nombreuses transmissions : automobiles, camions, hélicoptères, avions, bateaux...

18. Exemples d'objets ou systèmes utilisant des liaisons par roulements.