Méthodes et stratégies de test des roulements

- Jan 06, 2020-

Méthodes et stratégies de test des roulements

Abstrait

En tant qu'éléments de machine conçus pour de multiples applications, les roulements à rouleaux
peut être exposé à des conditions de fonctionnement très différentes et également difficiles.
De plus, comme les roulements sont des pièces standard, les fournisseurs sont interchangeables et
il est nécessaire de contrôler en permanence à la fois la qualité et les performances techniques.
Les tests sur bancs d'essai sont la méthode la plus fiable pour la vérification des produits. Cette
la publication donne un aperçu des différentes méthodes d'essai, de l'équipement requis
et tester les stratégies. Les principales méthodes d'essai concernent le couple de friction ou
température et pour l'endurance. Les deux ont leur justification en fonction de ce qui est
le plus critique dans l'application associée. Concernant les équipements de test, deux
les options standard fournies par Elgeti Engineering GmbH seront discutées et
par rapport aux autres concepts de banc d'essai courants présents sur le marché. Un particulier
Le point de référence est le banc d'essai FE8 décrit dans la norme DIN 51819 [2] et
très courant pour la recherche sur les roulements dans les grandes universités techniques. Finalement,
des stratégies de test pour divers cas sont développées et expliquées.

Motivation

Les principales raisons des tests de roulements sont:

  • Validation technique / approbation fournisseur

  • Évaluation comparative (s'applique à différents fournisseurs ou à différents
    méthodes de production

  • Contrôle qualité continu pour les inspections entrantes ou sortantes

En raison de la complexité associée aux tests, aux approches et stratégies appropriées
sont essentiels pour équilibrer le temps, les dépenses et les avantages.

Méthodes d'essai

Parmi les méthodes d'essai, il faut d'abord distinguer entre les tests de couple de frottement ou de température et les tests d'endurance. Les tests de friction et de température peuvent aider à comprendre l'effet de diverses conditions de fonctionnement sur le couple de friction et la température d'équilibre. Ces tests peuvent aider à évaluer les pertes de puissance dues au frottement qui contribuent à l'efficacité globale du système. À titre d'exemple, les pertes d'éléments de roulement individuels dans la transmission d'une automobile et, par conséquent, l'efficacité totale de la transmission peuvent être évaluées. Cette méthode de test peut également être utilisée pour fournir une évaluation rapide des normes de qualité des livraisons régulières (inspections entrantes) [1] et pour identifier les limites de performance. Enfin, la température en régime permanent peut être un critère limitant les performances des roulements lubrifiés à la graisse.

Des tests d'endurance sont utilisés pour évaluer la durée de vie des roulements en utilisation prolongée. Les tests peuvent être utilisés pour valider si les performances du roulement et du lubrifiant sont conformes aux spécifications techniques ou aux attentes. Lors du passage ou de l'acquisition d'un nouveau fournisseur, il faut généralement s'assurer que les performances du nouveau produit sont meilleures - ou du moins pas pires - que le fournisseur actuel. Un test d'endurance accéléré peut fournir une évaluation comparative rapide de différents fournisseurs et aider à prendre une décision éclairée. Un test d'endurance qui dépasse la durée de vie théorique peut également fournir un test rapide pour l'inspection entrante [1].

Les configurations de bancs d'essai offertes par Elgeti Engineering peuvent être classées comme standard et personnalisées. Une configuration standard fournit la solution la plus rentable pour l'évaluation de la qualité et des performances des roulements. Ces configurations offrent la possibilité de simuler des charges axiales, radiales ou combinées, comme illustré sur les figures 1, 2 et 3 respectivement. Il est important de noter que dans le cas d'applications de charges combinées, les charges axiales et radiales ne sont pas indépendantes l'une de l'autre en raison du frottement entre l'outillage et le boîtier. Par conséquent, des tests axiaux purs ou radiaux purs peuvent être l'approche privilégiée même si des charges combinées doivent être attendues dans l'application correspondante.

Figure 1: Application de charge axiale

Figure 2: Application de charge radiale

Figure 3: Application de charge combinée

Par rapport aux configurations de test standard, les configurations personnalisées d'Elgeti Engineering permettent une application personnalisée des charges permettant d'obtenir des conditions de test plus réalistes. La figure 4 montre un banc d'essai multi-axial qui permet l'application d'une charge avec trois degrés de liberté. Ce banc d'essai est particulièrement pertinent pour les roulements de moyeu de roue de camion, les roulements de poulie ou de planète où, en dehors des charges axiales et radiales, un moment de basculement doit être simulé.

Figure 4: Application de charge multi-axiale

Test de l'Équipement

Les bancs d'essai standard du monde entier utilisent des concepts de test principaux très similaires. Ils se différencient principalement en fonction des méthodes de contrôle de la température et d'application de la charge ainsi que du degré d'automatisation. Un compromis entre le coût et la précision requise de l'équipement ainsi que le coût et la signification statistique requise est nécessaire. Un contrôle plus précis et un degré d'automatisation plus élevé s'accompagnent d'une augmentation des coûts. Par conséquent, un test doit être aussi simple que possible tout en étant aussi complexe que nécessaire. Si les tests de haute précision sont trop chers, il est probable que l'on refuse le service. Dans de tels cas, des tests imprécis seraient toujours la meilleure option que pas de tests du tout.

Il existe trois concepts majeurs pour le contrôle de la température. Aucun contrôle n'entraîne le moindre coût. Dans ce cas, les conditions ambiantes devraient être constantes ou au moins reproductibles. La deuxième méthode d'utilisation 4 d'un carter chauffant est courante pour les applications à faible vitesse, telles que les tests de lubrifiants dans les roulements à frottement mixte extrême avec le banc d'essai FE8 selon la norme DIN 51819 [2].

La troisième méthode, qui est mise en œuvre sur les bancs d'essai d'Elgeti Engineering, comme le montre la figure 5, permet un contrôle complet et précis du degré de refroidissement et du débit d'huile et donc de la température de l'huile. Un schéma de commande en boucle fermée est mis en œuvre, par lequel la vitesse de rotation du moteur du ventilateur de refroidissement de l'échangeur de chaleur est contrôlée en fonction de la température d'huile mesurée (une moyenne de la température d'huile d'entrée et de sortie au boîtier). Si nécessaire, la vitesse de rotation du moteur de la pompe peut également être contrôlée. Un dispositif de chauffage en option peut être introduit dans le circuit d'huile de lubrification en cas de fonctionnement si une température plus élevée est requise.

Figure 5: Système de contrôle de la température et de lubrification

Il existe quatre méthodes principales pour l'application de la charge. Une application de charge brute peut être obtenue en utilisant des ressorts à plaque préchargés avec des rondelles, comme c'est le cas dans le banc d'essai standard FE8. Bien qu'il s'agisse d'une solution à très faible coût, elle offre une précision très faible. Une autre méthode consiste à une transmission hydraulique de la charge en utilisant des poids. Cela offre une précision modérée par rapport aux ressorts à plaques à un coût accru. Cette méthode est utilisée dans la majorité des bancs d'essai de roulements disponibles aujourd'hui.

Tableau 1: Comparaison des concepts d'application de charge

Une troisième méthode, mise en œuvre dans les bancs d'essai d'Elgeti Engineering, utilise des vérins hydrauliques avec un contrôle en boucle fermée de la pression hydraulique. Cette méthode offre également une précision modérée mais à un coût légèrement plus élevé que l'approche précédente. L'avantage majeur par rapport aux méthodes mentionnées précédemment est l'automatisation qui permet l'application de cycles de charge complexes. Les applications typiques sont le bon fonctionnement et l'augmentation automatique de la charge s'il n'y a pas de défaillance dans un délai spécifié.

La quatrième méthode permet d'obtenir une précision plus élevée en mesurant les charges directement avec des cellules de pesée au lieu de mesurer la pression hydraulique. Les bancs d'essai Elgeti Engineering sont également compatibles avec cette approche, comme le montre la figure 6. Les caractéristiques des différentes méthodes d'application de charge sont résumées dans le tableau 1.

Figure 6: Contrôle de charge à l'aide d'une cellule de charge

Stratégies de test

Avant d'élaborer des stratégies de test particulières pour les tests de roulements, il convient tout d'abord de refléter les types généraux de tests permettant d'évaluer les performances des roulements. Selon le niveau d'abstraction, les tests peuvent être classés en tests sur le terrain, tests de composants, tests de pièces et tests de modèles.

Les tests sur le terrain impliquent le test de systèmes complets dans des applications réelles, par exemple le test de conduite d'une voiture sur une voie publique. Ce test est utilisé pour vérifier le comportement du produit. Les tests de composants impliquent le test d'agrégats sur un banc de test dans des conditions de fonctionnement définies afin d'évaluer leurs performances, par exemple le test d'une boîte de vitesses sur un banc d'embrassement. Les tests de pièces comprennent des tests de pièces complètes dans des conditions définies afin de vérifier les propriétés de la pièce, par exemple en testant des roulements sur un banc d'essai de roulements. Les essais sur modèle impliquent de tester des échantillons simplifiés sous des influences physiques et chimiques définies, par exemple un tribomètre à bille sur disque. Ce type de test est principalement utilisé à des fins de recherche fondamentale et de développement de produits.

Les tendances des paramètres des différents types de test sont représentées sur la figure 7. Le test sur le terrain représente une abstraction proche de zéro puisque le test a lieu dans une application réelle. Ce test est également très complexe, long et coûteux. Le test de pièce offre un bon niveau d'abstraction pour un test d'endurance ou de friction et de température de roulement à un coût et une complexité raisonnables. Ce test est également précis et présente des conditions de test hautement reproductibles.

Pour les tests d'endurance, la signification statistique est un sujet important car les résultats des tests individuels peuvent varier considérablement. Atteindre un niveau de signification statistique suffisant est la principale raison pour laquelle l'endurance des roulements doit être mesurée sur un banc d'essai de roulements au lieu d'un banc d'essai de boîte de vitesses malgré le fait que cette dernière option soit très courante.

La figure 8 montre le résultat de dix essais de durée de vie avec la fréquence cumulée de défaillance sur l'axe vertical et la durée de vie observée en heures sur l'axe horizontal. Les cases carrées représentent les résultats des tests individuels. Afin d'évaluer la durée de vie de la population, une distribution de Weibull à deux paramètres est ajustée au tracé (la ligne continue de la figure 8). Le paramètre "a" est appelé facteur d'échelle qui représente la durée de vie caractéristique et le paramètre "b" est le facteur de forme. Ces paramètres sont également sujets à des variations statistiques selon les échantillons.

Figure 7: Tendances concernant les types de tests

Lorsqu'elle est prise en compte, cette variation se traduit par des tracés supplémentaires, représentés par des lignes en pointillés sur la figure 8. On peut conclure que la durée de vie expérimentale L 10 de la population, lorsque 10% des roulements montrent les premiers signes de rupture par fatigue, se situe dans certaines limites définies par ces tracés de variation des paramètres. Cette taille d'intervalle peut être réduite en augmentant le nombre d'échantillons de test. Il est évident que dans la plupart des cas, les essais de boîte de vitesses seront beaucoup trop coûteux pour fournir une base de données suffisante.

Afin d'augmenter la signification statistique des tests, il faut considérer un compromis entre l'augmentation du nombre de tests et la précision de la configuration du test. Le coût pour augmenter le nombre d'essais est évident en termes d'augmentation du temps de test tandis que le coût pour augmenter la précision de la configuration de test est évident en termes de coûts d'équipement. Dans certains cas, en particulier dans les applications académiques, la plus grande précision offerte par un équipement avancé peut être indispensable. Pour un test standard, l'avantage en termes de coût de choisir d'augmenter le nombre de tests au lieu d'utiliser un équipement coûteux peut compenser l'inconvénient de l'augmentation du temps de test.

Figure 8: Distribution de probabilité cumulée de rupture de roulement

Les stratégies de test diffèrent selon la motivation derrière la réalisation du test. Des tests peuvent être effectués pour l'approbation ou la validation technique du fournisseur, une évaluation comparative de l'endurance ou un contrôle qualité régulier.

L'approbation du fournisseur peut être nécessaire pour réduire les coûts, raccourcir les délais de livraison, améliorer la qualité et réduire les risques. L'approbation du fournisseur ou la validation technique peuvent être traitées en validant le comportement du couple de friction et les performances d'endurance. On observe que les tests de test de couple de friction ou de température sont hautement reproductibles. Chaque test dure environ une journée, y compris le temps de travail pour la mise en place des échantillons. Dans le cas d'un test d'endurance pour validation technique, fréquemment cinq essais sont effectués avec l'approche suivante. Pour que la totalité du lot soit approuvée, aucune défaillance ne doit être observée dans ces échantillons avant un temps d'essai d'au moins deux fois L n, m (la durée d'essai modifiée selon ISO 281). En cas de défaillance, des essais supplémentaires sont nécessaires pour parvenir à une conclusion. En cas de deux échecs, le lot n'est pas approuvé.

Pour une évaluation comparative de l'endurance, des essais doivent être effectués jusqu'à l'échec. L'option standard consiste à effectuer le test dans des conditions de régime permanent, par exemple à la moitié de la charge dynamique, pendant un temps donné, puis à augmenter ensuite la charge. La flexion de l'arbre doit être évitée tout en augmentant la charge, car une flexion différente conduirait à un modèle de contrainte de contact différent et donc à des résultats trompeurs. Un test unique dure généralement entre deux et quatre semaines. Les tests de performance accélérés offrent la possibilité de réduire le temps de test à environ une semaine tout en étant en mesure de faire une évaluation comparative raisonnable. Dans ces tests, la charge est augmentée en continu tout en évitant la flexion de l'arbre. Cette augmentation continue de la charge ne peut être obtenue que sur des bancs d'essai automatisés, comme le propose Elgeti Engineering.

Outre l'approbation du fournisseur, il est également important d'assurer un contrôle qualité permanent des livraisons. L'inspection entrante est essentielle pour l'identification des produits non qualifiés avant de les utiliser. Pour le fournisseur, une inspection sortante peut s'avérer bénéfique pour le maintien des normes de qualité. Par rapport aux méthodes d'inspection régulières des roulements par leur aspect visuel, leur géométrie et leur matériau, l'inspection à l'aide de bancs d'essai peut s'avérer avantageuse. Dans cette stratégie de test, quatre échantillons sélectionnés au hasard de chaque lot sont testés dans des conditions difficiles jusqu'à deux fois L n, m (la durée de test modifiée selon ISO 281). Ce test pourrait être effectué en cinq jours et à des coûts très limités. Bien qu'un tel test rapide ne soit pas suffisant pour une évaluation précise des performances des roulements, les défauts de production et de transport les plus courants qui peuvent se transformer en défaillance peuvent être facilement détectés. Certains des défauts qui ont une forte probabilité d'être détectés comprennent un matériau médiocre, une déviation géométrique (détectée lors du montage sur le banc d'essai), des fissures de durcissement, des brûlures de meulage, un élément roulant de mauvais diamètre et un mélange avec de faux roulements de faible qualité.

Conclusion

Les bancs d'essai standard sont très similaires les uns aux autres concernant leurs concepts de base; pourtant, il existe des différences majeures dans leurs approches du contrôle de la température et de l'introduction de la charge. Étant donné que les tests sont toujours un compromis entre le coût et la précision, il faut trouver un équilibre approprié pour chaque cas individuel - la recherche universitaire de haut niveau doit être clairement distinguée de la vérification de la qualité modérée des roulements.

Alors que les tests de température et de couple de frottement donnent généralement des résultats reproductibles, les résultats des tests de durée de vie peuvent varier considérablement. Par conséquent, il existe un compromis entre le nombre d'essais qui peuvent être effectués et la précision de l'équipement. Pour les essais de température et de couple de frottement, trois essais par population sont généralement suffisants.

Pour les tests d'endurance, ce qui suit s'applique aux cas les plus courants:

  • 5 tests jusqu'à deux fois la durée de vie théorique pour la validation du produit

  • 5 cycles de test jusqu'à défaillance par population pour des tests comparatifs (ici, on peut appliquer soit des conditions de régime permanent soit des charges croissantes pour des tests de performances accélérés)

  • 4 échantillons (un ou deux essais) dans des conditions très difficiles jusqu'à deux fois la durée de vie théorique pour un contrôle qualité continu.

La dernière option est extrêmement puissante car elle est rapide et abordable pour les roulements de petite taille. Les tests peuvent être effectués dans une semaine conduisant à l'approbation ou au rejet d'un lot particulier tout en supprimant la nécessité de toute autre forme d'inspection entrante ou sortante - chaque défaut majeur qui pourrait être détecté par une inspection géométrique ou matérielle entraînerait très probablement une défaillance prématurée pendant ces tests.

En savoir plus sur nos produits et devis, veuillez envoyer un courriel à: info@jxtcbearing.com