Précharge des roulements Jeu ou précharge

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Précharge des roulements
Le jeu de fonctionnement nécessaire dans un montage de roulements peut être positif ou négatif selon l'application. Dans la
majorité des cas, le jeu de fonctionnement doit être positif, c'est-à-dire que le roulement doit avoir un certain jeu résiduel en
fonctionnement, même très faible, voir la section Jeu interne du roulement.
Cependant, il existe beaucoup d'applications, par exemple les roulements de broches de machines-outils, les roulements de
pignon d'attaque de véhicules automobiles, les montages de roulements de petits moteurs électriques ou les montages de
roulements pour mouvements d'oscillation, où un jeu de fonctionnement négatif, c'est-à-dire une précharge, est normalement
souhaitable pour donner une plus grande rigidité au montage ou augmenter la précision de rotation. L'application d'une
précharge, au moyen de ressorts par exemple, est également recommandée lorsque les roulements doivent fonctionner sans
charge ou avec une charge très faible et à vitesse élevée. Dans de tels cas, la précharge permet d'assurer une charge
minimale sur le roulement et d'éviter les détériorations pouvant résulter de glissements des éléments roulants, voir la
section Charge minimale requise.
Jeu ou précharge
Dans la plupart des applications, les roulements fonctionnent avec un certain jeu résiduel. Normalement, un jeu de
fonctionnement positif approchant zéro est optimal (diagramme 1).
Un jeu quelque peu supérieur peut être plus approprié pour :
•
•
les applications à haute vitesse afin de réduire la chaleur due au frottement
les défauts de forme, comme l'ovalité, des portées et logements
Le jeu interne initial avant le montage et la réduction admissible après le montage dépendent du type et des dimensions du
roulement. La réduction du jeu due à un ajustement serré peut requérir un jeu interne initial supérieur au jeu normal afin
d'éviter de précharger le roulement (fig. 1).
Une précharge (ou jeu négatif) présente à la fois des avantages et des risques. Si un haut degré de rigidité est requis, une
précharge légère peut être appropriée,
Une précharge légère peut aussi être requise pour compenser une charge externe trop faible ou inexistante sur le roulement en
fonctionnement.
Toutefois, il existe le risque d'une précharge excessive qui entraînera une surchauffe qui fera augmenter la précharge, les
frottements et la température. Ce cycle peut continuer jusqu'à ce que le roulement grippe.
On peut affirmer qu'une précharge est acceptable, à condition que le roulement fonctionne dans une zone ne dépassant pas
une précharge légère (diagramme 1, zone entre 0 et –1). Du fait de cette légère précharge, le frottement et la température de
fonctionnement seront plus élevés.
Bien que tous les types de roulements puissent tourner avec une certaine précharge, SKF recommande un jeu de
fonctionnement positif. Ceci est particulièrement important pour les roulements à rouleaux, tels que les roulements à rouleaux
cylindriques, à aiguilles et à rouleaux toroïdaux CARB.
Effets de la précharge
Les principales raisons d’appliquer une précharge dans les roulements sont les suivantes :
•
une rigidité améliorée
•
•
réduction du niveau sonore
précision accrue du guidage de l’arbre
•
•
compensation des processus d’usure et de tassement
une meilleure durée de service des butées
Rigidité accrue
La rigidité d’un roulement est définie comme le rapport de la force agissant sur le roulement à la déformation élastique qui en
résulte. Les déformations élastiques provoquées par la charge dans les roulements préchargés sont plus faibles dans une plage
de charge donnée que si les roulements n’étaient pas préchargés.
Réduction du niveau sonore
Plus le jeu de fonctionnement d’un roulement est réduit, meilleur est le guidage des éléments roulants dans la zone déchargée,
et plus le roulement sera silencieux en fonctionnement.
Précision accrue du guidage de l’arbre
Les roulements préchargés assurent un guidage plus précis de l’arbre car la flexion de celui-ci sous charge est limitée par la
précharge. Par exemple, la plus grande précision de guidage et l’augmentation de rigidité obtenues pour les roulements de
pignon d’attaque et de différentiel assurent un engrènement exact et constant et maintiennent à un faible niveau les efforts
dynamiques additionnels. Ceci maintient à un faible niveau les efforts dynamiques et réduit les niveaux sonores. Le
fonctionnement sera donc silencieux et l’engrènement aura une durée de service accrue.
Compensation de l'usure et du tassement
Les processus d’usure et de « tassement » dans un montage en service augmentent le jeu. Ce jeu peut être compensé par une
précharge.
Prolongement de la durée de service du roulement
Dans certaines applications, un montage de roulement préchargé de manière optimale (→ Choix de la précharge correcte)
augmente la fiabilité de fonctionnement, fournit une répartition plus favorable de la charge dans les roulements et prolonge
leur durée de service.
Choix de la précharge correcte
Lors du choix de la précharge dans un montage, il faut noter que la rigidité s’accroît seulement de façon marginale lorsque la
précharge dépasse une valeur optimale donnée. En cas de dépassement de cette valeur optimale, le frottement et le
dégagement de chaleur augmentent. Il en résulte une nette diminution de la durée de service du roulement, compte tenu de la
charge additionnelle qui agit constamment. Une précharge excessive risque de compromettre la fiabilité de fonctionnement
d'un montage. En raison de la complexité normalement requise pour calculer une précharge appropriée, il est recommandé de
contacter le service Applications Techniques SKF.
II est également important que la valeur de précharge déterminée par calcul ou par expérience soit atteinte avec le moins de
dispersion possible. Pour les montages sur roulements à rouleaux coniques, par exemple, cela signifie qu’il faut faire tourner
les roulements plusieurs fois pendant le réglage, de façon à ce que les rouleaux ne prennent pas une position oblique et que
leurs faces latérales soient bien en contact avec l’épaulement de guidage de la bague intérieure (cône). Tourner l'arbre permet
également aux rouleaux d'entrer entièrement en contact avec la bague extérieure et empêche tout dommage aux pistes.
Lorsque les rouleaux ne sont pas entièrement en position, il en résulte une précharge beaucoup plus petite que les valeurs
requises.
Détermination de la précharge
La précharge peut être exprimée comme un effort ou comme une distance, mais l'effort est la spécification première. En
fonction de la méthode de réglage, la précharge est aussi reliée indirectement au moment de frottement dans le roulement.
Des valeurs empiriques pour le niveau optimal de la précharge peuvent être obtenues à partir de montages éprouvés, et
appliquées à des conceptions similaires. Pour les nouveaux montages, SKF recommande de calculer la précharge et de
contrôler sa fiabilité par des essais. Comme, en général, tous les facteurs influençant le fonctionnement réel ne sont pas
connus de façon précise, des corrections peuvent être nécessaires en pratique. La fiabilité du calcul dépend surtout du degré
de concordance entre les conditions réelles et les hypothèses faites sur les conditions de température en fonctionnement et
sur le comportement élastique des éléments associés, en premier lieu le palier.
Lorsque l'on détermine la précharge, on calcule d'abord la valeur requise pour obtenir une combinaison optimale de rigidité, de
durée du roulement et de fiabilité en service. Puis l'on calcule la précharge à utiliser lors du réglage des roulements au
montage. Lors du montage, les roulements doivent être maintenus à température ambiante et ne doivent pas être soumis à
une charge de fonctionnement.
À une température de service normale, la précharge appropriée dépend de la charge appliquée au roulement. Un roulement à
billes à contact oblique ou un roulement à rouleaux coniques peut admettre simultanément des charges radiales et axiales.
Toute charge radiale donne naissance à une poussée axiale induite qui est généralement reprise par un second roulement
orienté en sens inverse du premier. Le déplacement purement radial d'une bague par rapport à l'autre signifiera que la moitié
de la circonférence du roulement (c'est-à-dire la moitié des éléments roulants) est chargée, et l'effort axial produit dans le
roulement sera
Fa = 0,5 Fr/Y
où Fr est la charge radiale (fig. 1)
Les valeurs du facteur axial Y sont indiquées dans les tableaux des produits.
Pour un roulement isolé soumis à une charge radiale Fr, une force axiale extérieure Fa de l'intensité ci-dessus doit être
appliquée pour répondre à la condition préalable des charges de base (la moitié de la circonférence du roulement chargée). Si
la force extérieure appliquée est plus faible, le nombre d'éléments roulants supportant la charge sera moindre et la capacité de
charge du roulement sera réduite de façon proportionnelle.
Dans un montage comprenant deux roulements à billes à contact oblique à une rangée ou deux roulements à rouleaux
coniques disposés en O ou en X, chaque roulement reprend les efforts axiaux de l'autre. Si les deux roulements sont les
mêmes, la charge radiale est centrée entre les roulements, et le montage est réglé de façon à présenter un jeu nul, la
répartition de charge s'effectuant automatiquement lorsque la moitié des éléments roulants sont chargés. Dans d'autres
conditions de charge, en particulier en cas de charge axiale extérieure, il peut être nécessaire de précharger les roulements
pour compenser le jeu qui résulte de la déformation élastique du roulement en prenant en compte la charge axiale et pour
obtenir une répartition de charge plus favorable dans l'autre roulement, déchargé axialement.
La précharge accroît aussi la rigidité du montage de roulements. Lorsque l'on considère la rigidité, il faut se souvenir qu'elle
n'est pas seulement influencée par la déformation élastique des roulements mais aussi par l'élasticité de l'arbre et du palier,
par les ajustements des bagues et par la déformation élastique de tous les autres composants du champ de force, en
particulier les appuis. Ceux-ci contribuent tous de façon importante à la déformation élastique de l'ensemble du mécanisme de
l'arbre. La déformation élastique axiale et radiale d'un roulement dépend de sa conception interne, c'est-à-dire des conditions
de contact (contact ponctuel ou linéaire), du nombre et du diamètre des éléments roulants et de l'angle de contact ; plus
l'angle de contact est grand, plus le roulement est rigide axialement.
Si, en première approximation, on admet que la déformation élastique est une fonction linéaire de la charge, c'est-à-dire que le
rapport d'élasticité est constant, une comparaison montre que le déplacement axial dans un montage préchargé est plus faible
que dans un montage sans précharge pour le même effort axial extérieur Ka (diagramme 1).
Un montage de pignon d'attaque, par exemple, comprend deux roulements à rouleaux coniques A et B de taille différente
ayant des constantes d'élasticité cA et cB. Ce montage est soumis à une précharge F0. Si la force axiale Ka agit sur le
roulement A, le roulement B sera déchargé et la charge additionnelle agissant sur le roulement A et le déplacement axial
δa seront plus faibles que pour un montage sans précharge. Cependant, si l'effort axial extérieur
dépasse la valeur
Ka = F0 [1 + (cA/cB)]
alors le roulement B sera libéré de la précharge axiale et le déplacement axial sous charge additionnelle se fera comme dans le
cas d'un montage sans précharge, c'est-à-dire qu'il sera déterminé uniquement par la constante d'élasticité du roulement A.
Pour éviter que le roulement B ne soit complètement déchargé lorsque le roulement A est soumis à la charge Ka, la précharge
suivante sera alors nécessaire :
F0= Ka cB/(cA + cB)
Les forces et déplacements élastiques dans un montage préchargé, ainsi que les effets d'une variation de la précharge, sont
mis en évidence de la façon la plus simple par un diagramme effort de précharge/distance de précharge (diagramme 2).
Celui-ci est constitué de courbes d'élasticité des composants qui sont montés en opposition avec précharge et permet de faire
apparaître les relations suivantes :
•
relation entre effort et distance de précharge dans le montage préchargé,
•
relation entre une force axiale extérieure Ka et la charge sur roulement dans un montage préchargé, ainsi que la déformation
élastique produite par la force extérieure.
Dans le diagramme 3,
tous les composants soumis à des charges additionnelles par les efforts de fonctionnement sont représentés par les courbes
qui s'élèvent de gauche à droite et tous les composants déchargés, par les courbes qui s'élèvent de droite à gauche. Les
courbes 1, 2 et 3 se rapportent à différentes précharges (F01, F02 < F01 et F03 = 0). Les lignes en pointillés sont valables pour
le roulement lui-même tandis que les lignes continues s'appliquent à tout l'emplacement de roulement (roulement avec les
éléments associés).
D'après le diagramme 4,
il est possible d'expliciter les relations ci-dessus, par exemple pour un montage de pignon d'attaque (fig. 2)
où le roulement A et le roulement B sont montés en opposition avec une précharge via l'arbre et le palier. La force axiale
extérieure Ka (composante axiale des efforts de la denture) se superpose à la précharge F01 (courbe 1) de telle façon que le
roulement A est soumis à une charge additionnelle tandis que le roulement B est déchargé. La charge à l'emplacement de
roulement A est désignée par FaA, celle à l'emplacement de roulement B par FaB.
Sous l'influence de la force Ka, l'arbre du pignon subit un déplacement axial δa1. La précharge plus faible F02 (courbe 2) a été
choisie de façon que le roulement B soit juste déchargé par la force axiale Ka, c'est-à-dire FaB = 0 et FaA = Ka. L'arbre du
pignon subit dans ce cas un déplacement δa2 > δa1. Lorsque le montage n'est pas préchargé (courbe 3), le déplacement axial
de l'arbre du pignon est maximal (δa3 > δa2).