Chapitre 2 Les roulements Supports de cours : 0) texte (chapitre) [1] 1) représentation conventionnelle des roulements et des butées [1] 2) tableau des ajustements recommandés [1, 2] 3) schémas de montage des roulements (montages simple, en X et en O) 4) montage des roulements, réalisation 5) choix d’un roulement, calcul [2] 6) tableau de répartition des efforts pout les roulements à contact obliques [2] 7) tableaux des roulements rigide à une et à deux rangée(s) de billes et rigide à contact oblique [1] 8) tableaux des roulements à aiguilles et de butée 9) tableaux des roulements à rouleaux cylindrique [2] 10) tableaux des roulements à rouleaux coniques [2] 11) boitard à billes, crapaudine de grue [3] 12) lubrification et étanchéité [1] 13) épreuve de construction mécanique 1. Frottement des corps roulants La pratique montre que certaines charges appliquées aux pièces en mouvement relatif bien que ne pouvant les entraîner en glissement cèdent lorsqu’on procède à l’utilisation des rouleaux introduit entre les surfaces de contact. a) b) N N F Fr F Fr c) N d) N e) R A N0 B’ -N P Action de contact au repos de sur A -N F r B’ B’ -F Déformation de et répartition de la pression lors du déplacement de A en rotation à vitesse constante N Répartition des efforts Figure 1 : Définition du frottement de roulement 1 Fr Le couple résistant s’exprime par : C=.N=F.r Fr ≈F=N./r soit où , coefficient de résistance au roulement (parfois appelé coefficient de frottement de roulement) [6]. Sa valeur est donné dans la documentation appropriée. fr=/r est analogue au coefficient de frottement de glissement ; d=0,02 pour les roulements à rouleaux ; avec =10, fr=0,002/5=0,0004, 10 à 20 fois plus petit que le coefficient de frottement de glissement. Sollicité par la force de traction F, le cylindre peut suivant les conditions, soit rouler, soit glisser. - Pour que le cylindre glisse uniformément, on doit avoir : F=f0.N - Pour que le cylindre glisse sans rouler, on doit avoir : F.r < N. - Pour que le cylindre roule sans glisser, on doit avoir : F.r= N. F<f0.N Conclusion : - Lorsque les conditions de frottement fluide ne peuvent pas être remplies, la solution roulement s’impose si on veut une résistance minimale. - Lorsque les conditions de frottement fluide ne peuvent pas être remplies, un choix judicieux ne peut résulter que d’une étude comparative entre la solution roulement et la solution graissage hydrodynamique. 2. Définition Ce sont des paliers qui assurent une réalisation de grande qualité tout en restant économiques. Ils sont constitués de 3 parties principales ; - deux bagues (intérieur et extérieur) qui se comportent comme des chemins de roulement ; - des éléments roulants sous forme de billes, rouleaux, aiguilles…etc. ; - une cage qui maintient les éléments roulant et qui évite tout frottement entre eux. Certains modèle de roulements sont possède des joints d’étanchéité et des segments d’arrêt incorporés. D’autres sont munis de flasque ou de gorges. 3. Classification des roulements 3.1. Représentation conventionnelle 3. 2. Types de roulement On distingue les roulements : 2 - - rigide à une rangée de billes à rouleaux cylindrique (avec ou sans épaulements sur bague intérieure ou extérieure) à contact oblique à rouleaux coniques à billes à rotule à double rangée de billes à rotule à rouleaux à aiguilles de butée à billes ou à rouleaux, etc. 4. Choix du type de roulement Plusieurs facteurs sont pris en compte dans le choix d’un roulement : Les principaux critères de choix sont : - les efforts (intensité et direction) - la précision - la vitesse de rotation - l’encombrement - le caractère du fonctionnement : les roulements sont hostiles aux chocs. - La température, etc. a) Choix par rapport aux efforts L’intensité de la charge détermine surtout les dimensions du roulement. Toutefois, à taille égale les roulements à rouleaux supportent des efforts plus importants que les roulements à billes. La direction de la charge guide le choix du type : - charge purement radiale : roulement à rouleaux cylindrique, à aiguilles, ou n’importe quel type de roulements radiaux. - charge purement axiale : butée à billes - charge combinée ; roulement à billes, à rouleaux coniques. Les roulements à contact obliques ne supportent les charges radiales que dans un seul sens. Lorsqu’il existe une charge dans les deux sens, on prévoit un montage en opposition. b) Choix par rapport à la vitesse de rotation Les roulements à faible couple de frottement conviennent pour les grandes vitesses de rotation, car ils engendrent un dégagement de chaleur moins important. Les roulements à billes sont ceux qui autorisent les vitesses de rotation les plus grandes. c) Choix par rapport à l’encombrement L’encombrement radial est plus grand pour les roulements à billes et moins grand pour les roulements à rouleaux. Il est faible pour les roulements ou cages à aiguilles. 5. Montage des roulements Un élément de machine tournant est en principe monté sur un couple de roulements : - un roulement fixe qui assure le guidage radial et le positionnement axial. - un roulement mobile qui assure le guidage radial, mais qui permet un déplacement axial afin d’éviter un coincement de roulements. a) Fixation radiales Règle de montage : La bague tournant par rapport à la direction de la charge doit être montée avec un ajustement serré. Ceci permet d’éviter le laminage de la bague. 3 Exemple : - arbre tournant de la boîte de vitesses automobile: la bague intérieure est montée serrée - logement tournant de la roue automobile : la bague extérieure est montée serrée. Lorsque la bague est fixe par rapport à la charge, on peut la monter serrée. Le choix de l’ajustement est basé sur l’expérience. En général, on choisit pour l’arbre une qualité 6 ou 5 et pour le logement une qualité 7 ou 8. On se guide des tableaux des ajustements recommandés. b) Fixation axiales - paliers fixes : les deux bagues sont fixées axialement - paliers mobiles : seule la bague montée serrée est fixée - montages en opposition : chaque roulement est fixé dans un seul sens. Remarque : quel que soit le montage, l‘arbre ne peut être fixé (bloqué) qu’une seule fois dans chacun des deux sens. Procédés de fixation On doit profiter au maximum des épaulements sur les arbres et sur les logements Sur l’arbre : - écrou à encoche et rondelles frein pour les chargements importants. Permet un réglage de jeu. - anneau élastique pour les chargements modérés. Peu encombrant. - entretoise pour la fixation de deux roulements. Sur le logement : - chapeau fixé par des vis ou vissé suivant l’encombrement. Convient pour des charges importantes. - anneau élastique. Sur certains modèles, le segment d’arrêt est intégrés au roulement. - entretoise. Autre remarque importante : L’effort axial doit être encaissé par le roulement le plus proche du point d’application pour éviter le flambage de l’arbre. c) Cas des roulements à contact oblique Ce type de roulements ne permet qu’un arrêt uniaxial des efforts. En général, ils sont montés par paire, en opposition. De plus, le montage nécessite un réglage du jeu de fonctionnement réalisé sur bague glissante. On distingue deux types de montage en opposition : Montage en X : utilisé généralement pour les arbres tournant avec serrage des bagues intérieures et réglage sur les bagues extérieures. Le réglage est réalisé par l’intermédiaire - de cales de réglage - d’un chapeau - d’une rondelle élastique si les roulements sont éloignés. Montage en O : utilisé en général pour logement tournant. Serrage sur les bagues extérieures et réglage sur les bagues intérieures grâce à un écrou à encoche et d’une rondelle d’appui. 6. Lubrification des roulements La lubrification est essentielle au on fonctionnement. Ella a pour but de diminuer le frottement entre les éléments mobiles en interposant un film de lubrifiant. De plus, elle protège l’ensemble de la corrosion et permet d’évacuer la chaleur. Deux types de lubrifiants sont utilisés : les huiles et les graisses. Remarques - on utilise la lubrification à huile si ce mode est déjà présent dans le mécanisme. - certains roulements sont pré-graissés avec un graissage à vie. 4 - Les termes "lubrification" et "graissage" ont absolument la même signification : on dit indifféremment : graisser à l’huile et lubrifier à la graisse. Tableau 1 : Avantage et inconvénient des graissages à l’huile et à la graisse Graisses - mode de lubrification simple Avantages - étanchéité facile à réaliser - peu d’entretien - ne convient pas aux vitesses élevées évacuation difficile de la chaleur et de l’usure Inconvénients - - Huiles - autorise des vitesses élevées - évacuation de la chaleur et de l’usure - contrôle facile du niveau et de l’état - étanchéité difficile à réaliser - lubrification par bain d’huile (niveau mini=niveau du corps roulant le plus bas) lubrification par projection avec un organe tournant (engrenage) lubrification par circulation ; nécessité d’une pompe graissage à vie, lors du montage ou de l’entretien - Mode de lubrification - graissage plus fréquent : prévoir un dispositif de lubrification - 7. Etanchéité des roulements Elle a pour double objectif : - d’éviter les fuites de lubrifiant - de protéger le mécanisme des impuretés. On distingue les dispositifs suivants : Sans frottement - passages étroits de formes simples - passages étroits de formes complexes portant le nom de "joints labyrinthes" - chicanes - rainures On tolère de légères fuites Avec frottement - joints à lèvre et joint à double lèvre - joint feutre - joint V-ring Le choix dépend essentiellement de la vitesse de rotation ; l’étanchéité est totale 8. Matériau et désignation des roulements 5 Désignation a) D’après ISO3000 (ancienne) Exemple : 30BC02XE - (30) - diamètre de l’alésage ou le plus petit diamètre pour l’alésage conique, en mm - (BC) - type de roulement : à une rangée de bille à contact oblique sans encoche de remplissage - (02) - série de dimension : dans le tableau, on trouve D=62mm - (X) - tout type de cage - (E) – roulement à simple joint (d’un seul côté), à frottement, fixation permanente. b) ISO Exemple 1 : P6-206 ??? - (6) – classe de précision - (2) – série de dimension - (06) – diamètre : pour obtenir le diamètre on applique le principe suivant : (00) – 10mm, (01) – 12mm, (02) – 15mm, (03) -17mm, (04) – 04.5=20mm ; (05) – 05.5=25mm, (06) – 06.5=30mm, ainsi de suite. Exemple 2 : 6 1 15 03 12 - (6) – classe de précision : les normes prévoient cinq classes de précision qui sont par ordre de grandeur croissante : 0, 6, 5, 4, 2. La classe 0 est réalisée sans exigence spécifique en matière de précision des pièces composantes et de régularité de fonctionnement. On la trouve pour la grande majorité dans les organes de rotation d’usage général (automobiles, tracteur, construction, machines de transport et agricoles. - (1) – série de longueur - (15 – particularités constructives : démontable, à joint d’étanchéité incorporé, à anneau de fixation. - (0) – type de roulement : rigide à une rangée de billes - (3) – série de diamètre : - (12) - diamètre (voir paragraphe précédent) : diamètre intérieur d=12.5=60mm. REFERENCES [1] Christian Pillot, Mémotech, Dessin Technique. [2] Précis de Construction Mécanique, T 2. [3] Technologie de Construction Mécanique, M. Norbert, R. Philippe, Technologie de Construction Mécanique. [4] G. Lenormand, R. Mignée, J. Tinel, Construction Mécanique, Éléments de Technologie ; T 2 et 3. [5] Jean-Louis Fauchon, Guide des sciences et technologies des sciences industrielles, Afnor. [6] Artobolevsky (1977), théorie des mécanismes et des machines, Technique soviétique, Edition Mir, Traduction française. 6
