Types de roulements et leurs applications

Savez-vous quel type de composant mécanique est un roulement ? Les roulements sont souvent considérés comme « l’aliment de l’industrie mécanique », car ce sont des composants essentiels largement utilisés dans différents types de machines.

Qu'est-ce qu'un roulement ?

Un roulement est un composant qui facilite la rotation d'un objet. Comme son nom l'indique, un roulement supporte l'arbre rotatif d'une machine. Les automobiles, les avions et les générateurs font partie des machines qui utilisent des roulements. Les appareils électroménagers courants, tels que les réfrigérateurs, les aspirateurs et les climatiseurs, utilisent également des roulements. Dans ces machines, les roulements supportent les arbres équipés de roues, d'engrenages, de turbines, de rotors et d'autres pièces, permettant ainsi à l'arbre de tourner sans à-coups.

Fonction du roulement

Les roulements réduisent le frottement et fluidifient la rotation. Le frottement est inévitable entre un arbre en rotation et la pièce qui le supporte. Les roulements sont utilisés entre l'arbre et le mécanisme de support. En réduisant le frottement, ils permettent une rotation plus fluide et une consommation d'énergie moindre. C'est la fonction principale d'un roulement.

Ils protègent le support de rotation et maintiennent l'arbre de rotation dans la position adéquate. L'arbre de rotation et le support sont soumis à des forces importantes. Les roulements empêchent le support d'être endommagé par ces forces et maintiennent l'arbre de rotation dans sa position correcte. C'est précisément grâce à ces fonctions que les machines peuvent être utilisées de manière répétée pendant de longues périodes.

Différents types de roulements

Les sections suivantes expliquent les types, les différences et les applications spécifiques des roulements courants.

Roulement à billes de contact angulaire

Les roulements à billes à contact oblique supportent simultanément des charges radiales et axiales. Ils peuvent fonctionner à des vitesses relativement élevées. Plus l'angle de contact est grand, plus la capacité de charge axiale est importante. L'angle de contact est l'angle formé par la ligne reliant les points de contact des billes et des chemins de roulement dans le plan radial et la perpendiculaire à l'axe du roulement. Les roulements de haute précision et à grande vitesse utilisent généralement un angle de contact de 15 degrés. Cet angle augmente sous l'effet de la force axiale.

Fonctionnalité

Roulements à compatibilité universelle : Ces roulements sont spécialement conçus pour permettre, lorsqu’ils sont installés côte à côte, d’obtenir un jeu interne ou une précharge prédéterminés, ainsi qu’une répartition uniforme de la charge, sans l’utilisation de cales ou autres dispositifs similaires. Ils sont utilisés lorsque la capacité de charge d’un seul roulement est insuffisante ou lorsque le roulement doit supporter des charges combinées ou des charges axiales dans les deux sens.

Roulements de conception standard : Ces roulements sont destinés à un montage à un seul roulement. Les roulements à billes à contact oblique à une rangée de conception standard sont principalement utilisés dans les configurations où un seul roulement est présent par position. Leurs tolérances de largeur et de saillie sont standard. Par conséquent, ils ne conviennent pas au montage de deux roulements à billes à contact oblique à une rangée côte à côte.

Roulement à billes à alignement automatique

Les roulements à billes auto-aligneurs existent en deux versions : à alésage cylindrique et à alésage conique. La cage est généralement en acier ou en résine synthétique. Leur caractéristique principale est la sphéricité de la bague extérieure, qui leur confère des propriétés d'auto-alignement. Celles-ci compensent les défauts de concentricité et les déformations de l'arbre, à condition que l'angle d'inclinaison relatif entre les bagues intérieure et extérieure ne dépasse pas 3 degrés.

Elles supportent principalement les charges radiales, mais peuvent également supporter de faibles charges axiales. Le déplacement axial de l'arbre est limité par le jeu. Grâce à leur capacité d'auto-alignement, elles permettent un fonctionnement normal même lorsque les bagues intérieure et extérieure sont légèrement inclinées l'une par rapport à l'autre, ce qui les rend adaptées aux composants pour lesquels la coaxialité stricte de l'alésage du logement ne peut être garantie.

Fonctionnalité

• La bague extérieure d'un roulement à billes auto-aligneur est une portion de sphère dont le centre de courbure se situe sur l'axe du roulement. De ce fait, le roulement possède une fonction d'auto-alignement ; il s'ajuste automatiquement en cas de déformation de l'arbre ou du logement, sans augmentation de la contrainte sur le roulement. 
• Il supporte les charges radiales et une charge axiale modérée dans les deux sens. Cependant, il ne supporte pas les moments de flexion. Son angle de contact étant faible, il reste quasiment constant sous charge axiale, ce qui explique sa faible capacité de charge axiale et sa forte capacité de charge radiale. Il est adapté aux applications soumises à des charges importantes ou à des chocs.
• Les roulements à billes auto-aligneurs à double rangée avec manchons d'adaptation et écrous de blocage peuvent être installés dans n'importe quelle position sur un arbre lisse, éliminant ainsi le besoin d'épaulements de positionnement.

Roulement à billes sphériques

Les roulements à rouleaux sphériques comportent deux rangées de rouleaux, une bague extérieure sphérique et deux bagues intérieures inclinées par rapport à l'axe du roulement. Cette conception ingénieuse assure un auto-alignement, les rendant moins sensibles aux erreurs d'angle entre l'arbre et le logement du roulement, ainsi qu'à la flexion de l'arbre. Ils conviennent aux applications où les erreurs angulaires sont dues à des erreurs de montage ou à une déformation de l'arbre. Outre les charges radiales, ce roulement supporte également des charges axiales bidirectionnelles. Les roulements à rouleaux sphériques sont disponibles avec un alésage cylindrique ou conique. L'alésage conique présente un pas de 1:30 ou 1:12. Ces roulements à alésage conique se montent facilement et rapidement sur des arbres lisses ou étagés à l'aide de manchons d'adaptation ou de manchons de démontage.

Applications

• Cages en acier embouti renforcé, cages en acier embouti, cages en polyamide 66 renforcé de fibres de verre, cages en laiton usiné en deux parties, cages monoblocs en laiton usiné et cages en acier embouti pour applications soumises à des vibrations. Les références des roulements peuvent varier pour une même structure.
• Machines à papier, réducteurs, essieux de véhicules ferroviaires, paliers de boîtes de vitesses de laminoirs, rouleaux de laminoirs, concasseurs, cribles vibrants, machines d'imprimerie, machines à bois, divers réducteurs industriels et paliers auto-aligneurs verticaux avec paliers.

Roulement de butée à rouleaux sphériques

Les butées à rouleaux sphériques sont globalement similaires aux roulements à rouleaux sphériques. La surface de la bague de roulement du logement est sphérique, son centre étant aligné avec l'axe central du roulement. La forme sphérique des rouleaux assure un auto-alignement, ce qui les rend moins sensibles à la coaxialité et à la flexion de l'arbre. Ces roulements sont principalement utilisés dans les installations de forage pétrolier, les machines de sidérurgie, les générateurs hydroélectriques, les moteurs verticaux, les arbres d'hélices marins, les grues à tour et les extrudeuses.

Fonctionnalité

Il est déconseillé d'utiliser un ajustement serré entre la bague extérieure et l'alésage du logement de roulement, et l'ajustement entre la bague intérieure et le tourillon ne doit pas être trop serré. Le roulement doit pouvoir subir un léger déplacement axial lors du réglage à l'aide d'un écrou pendant le montage. L'utilisation d'un ajustement serré avec des roulements à rouleaux sphériques peut facilement modifier l'angle de contact, entraînant une répartition inégale de la charge et une forte élévation de température. Par conséquent, l'ajustement optimal des bagues intérieure et extérieure avec le tourillon et l'alésage du logement est généralement obtenu lorsque le roulement peut être inséré dans le tourillon et l'alésage du logement simplement à l'aide des deux pouces.

Le jeu axial des roulements à rouleaux sphériques peut être ajusté à l'aide d'écrous de réglage sur le tourillon, de cales, du filetage du logement du roulement ou de ressorts de précharge. La valeur de ce jeu dépend de la configuration lors du montage, de l'entraxe et des matériaux de l'arbre et du logement ; elle est déterminée en fonction des conditions de service.

Pour les roulements à rouleaux sphériques soumis à des charges et des vitesses élevées, l'effet de l'élévation de température sur le jeu axial doit être pris en compte lors du réglage de ce dernier ; la réduction du jeu causée par l'élévation de température doit être estimée, ce qui signifie que le jeu axial doit être ajusté pour être légèrement plus grand.

Pour les roulements à basse vitesse soumis à des vibrations, il convient d'opter pour un montage sans jeu ou avec précharge. Ceci afin d'assurer un bon contact entre les rouleaux et les chemins de roulement du roulement à rouleaux sphériques, de répartir la charge uniformément et de prévenir les dommages causés par les vibrations et les chocs aux rouleaux et aux chemins de roulement.

Après réglage, le jeu axial est contrôlé à l'aide d'un comparateur. La méthode consiste à fixer le comparateur sur le bâti de la machine ou le logement de palier, à placer sa pointe contre la surface lisse de l'arbre et à déplacer ce dernier axialement de gauche à droite ; l'amplitude maximale de l'aiguille indique la valeur du jeu axial.

Tapered Roller Bearing

Les roulements à rouleaux coniques sont des roulements séparables ; les bagues intérieure et extérieure présentent des chemins de roulement coniques. Selon le nombre de rangées de rouleaux, on distingue les roulements à rouleaux coniques à une, deux et quatre rangées. Les roulements à rouleaux coniques à une rangée supportent les charges radiales et axiales dans un seul sens. Lorsqu'un roulement est soumis à une charge radiale, une force axiale est générée ; un autre roulement, capable de supporter la force axiale inverse, est donc nécessaire pour l'équilibrer.

Fonctionnalité

L'angle de la bague extérieure et le diamètre du chemin de roulement extérieur sont normalisés. Aucune modification n'est autorisée lors de la conception et de la fabrication afin de garantir l'interchangeabilité universelle de la bague extérieure et de l'ensemble intérieur des roulements à rouleaux coniques à l'échelle mondiale.

Les roulements à rouleaux coniques sont principalement utilisés pour supporter des charges radiales et axiales combinées, à prédominance radiale. Ils offrent une capacité de charge plus élevée, mais une vitesse limite plus faible. Ces roulements peuvent supporter des charges axiales dans un seul sens et limiter le déplacement axial de l'arbre ou du logement dans ce même sens. La capacité de charge du roulement dépend de l'angle d'attaque de la bague extérieure : plus cet angle est grand, plus la capacité de charge est importante.

Ce type de roulement est un roulement démontable. Le jeu des roulements à rouleaux coniques à une rangée doit être ajusté par l'utilisateur lors de l'installation ; le jeu des roulements à rouleaux coniques à deux et quatre rangées est réglé en usine selon les exigences de l'utilisateur et ne nécessite aucun réglage.

Les roulements à rouleaux coniques possèdent des chemins de roulement coniques sur les bagues intérieure et extérieure, entre lesquels sont disposés des rouleaux coniques. Les lignes de projection de toutes les surfaces coniques convergent en un même point sur l'axe du roulement. Cette conception rend les roulements à rouleaux coniques particulièrement adaptés aux charges composées (radiales et axiales).

La capacité de charge axiale du roulement est principalement déterminée par l'angle de contact α : plus cet angle est grand, plus la capacité de charge axiale est élevée. La valeur de cet angle est représentée par le coefficient de calcul ε ; plus ε est grand, plus l'angle de contact est important et plus le roulement est apte à supporter des charges axiales.

Les roulements à rouleaux coniques sont généralement démontables, c'est-à-dire que le cône (composé de la bague intérieure avec les rouleaux et de la cage) peut être installé séparément de la cuvette (bague extérieure). Ces roulements sont largement utilisés dans l'automobile, les laminoirs, les mines, la métallurgie, la fabrication de machines pour le plastique et d'autres industries.

Roulement à billes à gorge

Les roulements à billes à gorge profonde sont les roulements les plus répandus. Ils se caractérisent par un faible frottement et une vitesse de rotation élevée. Ils peuvent être utilisés sur des pièces supportant des charges radiales ou des charges combinées radiales et axiales, ainsi que sur des pièces supportant des charges axiales, comme les moteurs de faible puissance, les boîtes de vitesses automobiles et de tracteurs, les boîtes de vitesses de machines-outils et les machines et outils en général.

Lorsque le jeu radial du roulement est augmenté, celui-ci possède certaines caractéristiques de performance des roulements à billes à contact oblique et peut supporter des charges radiales et axiales combinées.

Comparés à d'autres types de roulements de même dimension, ces roulements présentent un coefficient de frottement plus faible et une vitesse limite plus élevée. Cependant, ils ne résistent pas aux chocs et ne conviennent pas aux charges importantes.

Une fois montés sur l'arbre, les roulements à billes à gorge profonde peuvent limiter le déplacement axial de l'arbre ou du logement dans les deux sens dans la plage du jeu axial du roulement, de sorte qu'ils peuvent être utilisés pour un positionnement axial bidirectionnel.

De plus, ce type de roulement possède une certaine capacité d'auto-alignement. Même incliné de 2° à 10° par rapport à l'alésage du logement, il reste fonctionnel, mais sa durée de vie s'en trouve réduite.

Pour les roulements à billes à gorge profonde, si la charge est trop faible en fonctionnement, un glissement se produit entre les billes et la cage, ce qui peut provoquer des rayures. Ce phénomène est particulièrement marqué pour les grands roulements à billes à gorge profonde, où les billes et la cage sont lourdes. Dans de nombreux cas, les roulements se corrodent. Les causes de la corrosion des roulements sont multiples. Les plus courantes sont les suivantes :

• Infiltration d'humidité, de saletés, etc., due à des dispositifs d'étanchéité défectueux.
• Le roulement n'a pas été utilisé depuis longtemps, dépassant ainsi la période de protection contre la rouille, et n'a pas été entretenu.
• Rugosité de surface importante du métal.
• Contact avec des produits chimiques corrosifs ; le roulement n’a pas été correctement nettoyé et présente des saletés en surface, ou a été manipulé avec des mains moites. Après nettoyage, le roulement n’a pas été emballé ni installé à temps et a été exposé à l’air pendant une période prolongée, ce qui a entraîné des infiltrations d’humidité et des contaminations.
• Température et humidité ambiantes et contact avec divers milieux environnementaux ; défaillance de l'inhibiteur de rouille ou qualité non conforme aux exigences.

Butée à billes

Les butées à billes sont conçues pour résister aux charges axiales lors d'un fonctionnement à haute vitesse et sont constituées de bagues en forme de rondelle dotées de rainures pour le roulement des billes. Du fait de la forme des bagues, on distingue deux types de butées à billes : les butées à coussinet plat et les butées à coussinet sphérique auto-aligneur. Ces butées supportent les charges axiales, mais pas les charges radiales.

Fonctionnalité

• Disponible en versions unidirectionnelle et bidirectionnelle.
• Pour pallier les erreurs d'installation, il est possible de choisir des modèles à une ou deux directions, avec des coussins d'assise sphériques auto-alignants ou avec des anneaux d'assise sphériques.
• Acier de haute qualité — Utilisation d'un acier ultra-propre permettant de prolonger la durée de vie des roulements jusqu'à 80 %.
• Technologie de graisse avancée — La technologie de lubrification NSK permet de prolonger la durée de vie de la graisse et d'améliorer les performances des roulements.
• Billes d'acier de haute qualité — Silencieuses et fluides même en rotation à grande vitesse.
• Les erreurs d'installation peuvent être corrigées à l'aide des anneaux disponibles dans les options.

Les butées à billes ne conviennent qu'aux pièces supportant des charges axiales d'un seul côté et fonctionnant à des vitesses relativement faibles, telles que les crochets de grue, les pompes verticales, les centrifugeuses verticales, les vérins, les réducteurs à faible vitesse, etc. La bague d'arbre, la bague de siège et les éléments roulants du roulement sont séparables et peuvent être montés et démontés séparément.

Les butées à rouleaux cylindriques sont conçues pour supporter des charges axiales et radiales combinées, la charge axiale étant prédominante, sans que la charge radiale ne dépasse 55 % de la charge axiale. Comparées à d'autres butées à rouleaux, elles présentent un coefficient de frottement plus faible, une vitesse de rotation plus élevée et une capacité d'auto-alignement. Ces butées sont principalement utilisées dans les machines-outils lourdes, les réducteurs marins de forte puissance, les plateformes de forage pétrolier, les moteurs verticaux et autres machines.

Roulement à rouleaux cylindriques

Il s'agit de roulements radiaux dont les éléments roulants sont des rouleaux cylindriques. La structure interne de ces roulements est constituée de rouleaux parallèles, et des entretoises sont installées entre les rouleaux pour empêcher leur basculement ou leur frottement, limitant ainsi l'augmentation du couple de rotation.

Moteurs électriques de grande et moyenne taille, matériel roulant, broches de machines-outils, moteurs à combustion interne, générateurs, turbines à gaz, réducteurs, laminoirs, cribles vibrants et engins de levage et de transport.

Fonctionnalité

• Les rouleaux et la piste de roulement sont en contact linéaire ou en contact linéaire modifié, offrant une grande capacité de charge radiale, adaptée au support de charges lourdes et de charges d'impact.
• Faible coefficient de frottement, adapté aux hautes vitesses, avec une vitesse limite proche de celle des roulements à billes à gorge profonde.
• Les types N et NU peuvent se déplacer axialement, capables de s'adapter aux changements de position relative de l'arbre et du boîtier causés par la dilatation thermique ou les erreurs d'installation et peuvent être utilisés comme supports d'extrémité libre.
• Exigences de traitement élevées pour l'alésage de l'arbre ou du siège ; la déviation relative de l'axe de la bague extérieure après l'installation du roulement doit être strictement contrôlée afin d'éviter la concentration des contraintes de contact.
• L'anneau intérieur ou extérieur peut être séparé, facilitant ainsi l'installation et le démontage.

Roulement à billes à quatre points de contact

Un roulement à billes à quatre points de contact est un roulement démontable, également appelé roulement à billes à contact oblique, capable de supporter des charges axiales bidirectionnelles. Ses chemins de roulement, intérieur et extérieur, présentent une section transversale en forme de pêche. En l'absence de charge ou sous une charge radiale pure, la bille d'acier et la bague semblent être en contact en quatre points, d'où son nom.

Les roulements à billes à quatre points de contact ont une structure séparable, et un seul roulement peut remplacer des roulements à billes à contact oblique combinés dans une disposition face à face ou dos à dos.

Ils peuvent résister à des charges radiales et à des charges axiales bidirectionnelles, et peuvent limiter le déplacement axial dans deux directions, mais ils occupent moins d'espace axial que les roulements à billes à contact oblique à double rangée de spécifications actuelles.

Comparativement aux autres roulements à billes, les roulements à billes à quatre points de contact présentent un jeu axial plus faible et une vitesse limite plus élevée lorsque le jeu radial est identique.

Les roulements à billes à quatre points de contact sont adaptés au support de charges axiales pures ou de charges combinées axiales et radiales à prédominance axiale. Grâce à la double demi-bague intérieure (ou extérieure), le nombre de billes est accru, ce qui permet une capacité de charge supérieure. 

Dans des conditions normales de fonctionnement, lorsqu'un roulement de ce type supporte une charge axiale dans n'importe quelle direction, un angle de contact se forme. La bille d'acier entre en contact avec les chemins de roulement intérieur et extérieur en un seul point, ce qui limite le frottement de glissement dans la zone de contact. Par conséquent, ce roulement n'est pas adapté aux charges à dominante radiale.

Roulement de butée à rouleaux cylindriques

Les butées à rouleaux cylindriques sont souvent utilisées dans des configurations de roulements à haute rigidité et peuvent supporter sans difficulté des charges importantes et des vibrations. Elles conviennent uniquement aux composants supportant des charges axiales d'un seul côté et fonctionnant à basse vitesse, tels que les crochets de grue, les pompes verticales, les centrifugeuses verticales, les vérins et les réducteurs à faible vitesse. La rondelle d'arbre, la rondelle de logement et les éléments roulants du roulement sont séparables et peuvent être montés et démontés séparément.

Roulement de butée à aiguilles

Les butées à aiguilles ont une fonction d'arrêt de la poussée, supportent des charges axiales, fonctionnent à basse vitesse et peuvent permettre une déflexion.

Roulement de butée à rouleaux coniques

Les butées à rouleaux coniques permettent de réaliser des configurations axiales très compactes. Ces butées supportent des charges axiales importantes, sont insensibles aux chocs et présentent une excellente rigidité. LYTBZ produit des butées à rouleaux coniques à simple et double sens de rotation. Les butées à rouleaux coniques à simple sens de rotation, spécialement conçues, comportent un jeu complet de rouleaux. Ce type de butée est utilisé dans les laminoirs pour les configurations à rouleaux coniques à simple sens de rotation. Les butées à rouleaux coniques LYTBZ présentent un profil de contact logarithmique entre la bague et les rouleaux, assurant une répartition optimale des contraintes et prolongeant ainsi leur durée de vie.

Palier à insérer avec logement

Un palier à insert avec logement est un ensemble de roulement combinant un roulement à billes et un logement. La plupart des paliers à insert ont un diamètre extérieur sphérique et sont installés dans un logement doté d'un alésage intérieur sphérique. Ils se déclinent en différentes configurations et offrent une grande polyvalence et une excellente interchangeabilité. De plus, ce type de palier présente une certaine capacité d'auto-alignement, est facile à installer et dispose d'un système d'étanchéité à double structure, lui permettant de fonctionner dans des environnements difficiles.

Structure des paliers et leur fonction

Les roulements réduisent le frottement grâce à un mouvement de roulement. Lorsque l'arbre se met à tourner, les différents éléments roulants (billes ou rouleaux) à l'intérieur du roulement se mettent à rouler. Ce mouvement de roulement permet de réduire le frottement. Comparés au mouvement de glissement des paliers lisses, les roulements à billes réduisent le frottement plus efficacement et diminuent la consommation d'énergie de rotation.

Bien qu'il existe de nombreux types de roulements modernes, leur structure de base reste sensiblement la même que celle conçue par Léonard de Vinci il y a environ 500 ans. Les composants d'un roulement sont :

• Anneaux : Pièces en forme d'anneau
• Éléments roulants : pièces qui roulent entre les anneaux de la piste de roulement (les éléments roulants comprennent les billes et les rouleaux).
• Cage : Pièce empêchant les éléments roulants d'entrer en contact et maintenant un certain intervalle entre eux.

Bagues

Le roulement représenté sur la figure 2 est appelé « roulement radial » et supporte les forces perpendiculaires à l'arbre. Les roulements à billes utilisent des billes comme éléments roulants, tandis que les roulements à rouleaux utilisent des rouleaux. Ces roulements radiaux sont constitués de bagues. La bague intérieure, montée sur l'arbre, est appelée bague intérieure. La bague extérieure, montée dans le logement, est appelée bague extérieure.

Éléments roulants

Les éléments roulants comprennent des « billes » et des « rouleaux ». Différents types d'éléments roulants sont disponibles et peuvent être sélectionnés en fonction des conditions d'utilisation des roulements, telles que l'importance du support requis et la vitesse de rotation.

Cage

Lorsque la bague intérieure du roulement tourne, les éléments roulants se mettent également en mouvement. En l'absence de cage, les éléments roulants adjacents entrent en contact. Leurs sens de roulement étant opposés au niveau de la surface de contact, cela crée un obstacle à leur mouvement. Pour éviter ce problème, une cage sépare les éléments roulants adjacents et leur permet de rouler sans à-coups. Différents types de cages sont disponibles en fonction des conditions d'utilisation du roulement, notamment l'intensité de la force de support et la vitesse de rotation.

Les bagues de roulement, les éléments roulants et les cages jouent chacun un rôle différent. Ce n'est que lorsque ces rôles sont coordonnés que le roulement peut tourner sans à-coups. Cependant, sans ces seuls composants, le roulement ne peut pas continuer à tourner sans à-coups. Nous allons maintenant aborder un autre élément important pour les roulements.

Lubrifiant

Pour assurer une rotation fluide du roulement, il est nécessaire de réduire le frottement et de prévenir l'usure des pièces. Le lubrifiant joue ce rôle. Les graisses semi-solides et les huiles lubrifiantes liquides sont les plus couramment utilisées. De plus, les lubrifiants contribuent à réduire l'échauffement interne des roulements et à prolonger leur durée de vie. Par conséquent, le lubrifiant est un élément essentiel pour garantir une rotation stable et régulière des roulements.