Roulements à aiguilles: 60 ans et toujours en évolution

- Oct 29, 2018-

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Bien que la conception de base d'un roulement à aiguilles n'ait pas beaucoup changé au cours des 60 dernières années, des développements continus ont abouti à de nouvelles conceptions de cages offrant une durée de vie cinq fois supérieure et deux fois la charge statique de leurs homologues d'origine.

La plupart des ingénieurs-concepteurs connaissent déjà les avantages techniques d'un roulement à aiguilles - la capacité de supporter des charges relativement élevées dans une enveloppe de conception compacte. Cet avantage technique fait du roulement à aiguilles le choix de roulement préféré dans de nombreuses applications de transmission de puissance industrielles et automobiles au fil des années.

Un roulement à aiguilles est un roulement utilisant de petits rouleaux cylindriques. Ces rouleaux sont utilisés pour réduire le frottement d'une surface en rotation. Comparés aux roulements à billes, les roulements à aiguilles ont une grande surface qui est en contact avec les tourillons de roulement.

La structure typique d'un roulement à aiguilles comprend une bague intérieure (ou parfois juste un arbre), une cage à aiguilles orientant et contenant les aiguilles à aiguilles, les aiguilles à aiguilles elles-mêmes et un chemin de roulement extérieur. Il existe de nombreuses conceptions différentes de roulements à aiguilles, notamment des coupelles dessinées, des bagues de précision, des rouleaux en cage et des rouleaux de poussée. Ici, nous considérons le type de rouleau en cage.

La fonction d'un roulement à aiguilles en cage est de supporter des charges radiales et des vitesses de rotation. Ici, une cage guide et retient les rouleaux. Les conceptions en cage sont normalement proposées en modèles à une ou deux rangées, avec une grande variété de matériaux pour la cage, notamment en acier, en plastique (PA66) et en aluminium. Les conceptions à plusieurs rangées augmentent la capacité de charge.

Les cages, qu’elles soient en acier ou en plastique, peuvent être fabriquées dans différentes constructions, notamment des cages pleines, des moitiés simples et des moitiés divisées (en deux parties). Ces cages peuvent également intégrer des passages de lubrification et d’autres fonctionnalités conçues sur mesure.

Les applications typiques des roulements à aiguilles en cage sont les boîtes de vitesses, les systèmes de transmission de puissance automobile, les moteurs à deux et quatre temps, les trains épicycloïdaux et les compresseurs d'air.

Quels que soient les types de roulements à aiguilles sélectionnés pour une application, les ingénieurs doivent tenir compte de nombreux facteurs avant de prendre leur décision le plus tôt possible dans la phase de conception: taille / enveloppe de conception, type de charge, charge capacité, vitesse, température, désalignement, spécifications du logement et de l’arbre, durée de vie et exigences de lubrification.



Pour le client, ces améliorations se traduisent par une réduction des contraintes liées au lubrifiant, une réduction des frottements et des températures des roulements, ce qui se traduit par un roulement plus économe en énergie. En outre, l'augmentation de la capacité de performance permet de réduire la taille du roulement pour l'application, avec des réductions correspondantes du poids du roulement et de ses besoins en espace.

Dans le cas peu probable où les exigences de l’application dépasseraient les roulements X-Life, des améliorations des performances techniques pourraient être obtenues par l’utilisation de nouveaux revêtements et matériaux de roulement.

Un des projets actuellement entrepris par la division automobile de Schaeffler comprend la refonte d'un train épicycloïdal à grande vitesse destiné à une boîte de vitesses automatique sur un nouveau véhicule hybride électrique à passagers.

L'industrie automobile est aujourd'hui soumise à une pression croissante pour produire des véhicules plus économes en carburant et émettant moins de CO2. Une méthode pour y parvenir consiste à améliorer la consommation de carburant du véhicule en réduisant les frottements sur l’ensemble de la chaîne cinématique. Cela signifie réduire le poids de l'ensemble du véhicule en réduisant le poids de chaque composant. "

«Les constructeurs automobiles ont maintenant besoin de roulements et d’autres composants de moteur offrant de meilleures caractéristiques de frottement. C’est là que les avantages du roulement à aiguilles en cage entrent en jeu.»

Davies a expliqué qu'une conception spéciale de la cage du roulement à aiguilles et des fonctionnalités améliorées améliorant les caractéristiques d'écoulement de lubrification du roulement ont abouti à une conception du roulement à frottement réduit, ce qui a permis de réduire le jeu d'engrenages planétaires du client 17% de moins que le système original. Les roulements, associés à un flux d'huile optimisé dans le support, ont permis des vitesses de fonctionnement supérieures de 20% (jusqu'à 8 000 tr / min).

«La cage a été conçue sur mesure pour l'application. En raison d'une enveloppe de conception restreinte, la cage devait être plus petite pour loger l'arbre et l'alésage du logement de l'engrenage est fini pour supporter un chemin de roulement. Sinon, un anneau extérieur ou intérieur aurait été nécessaire », explique Davies.

Les roulements à aiguilles en cage peuvent être assemblés de nombreuses façons pour le client. Ceux-ci incluent des conceptions à une seule fente, des types de demi-coquilles et une seule fente avec des connexions diagonales à barres de ressort.

À la fin des années 80 et au début des années 90, les améliorations apportées à la conception des cages ont été axées sur des conceptions plus minces et de masse réduite. Parmi les autres améliorations, citons de nouvelles caractéristiques de conception qui ont permis de déplacer le lubrifiant plus efficacement dans toutes les zones du roulement, ce qui a permis d'améliorer le débit d'huile.

À l'origine, les cages étaient conçues simplement pour guider les éléments roulants. Cependant, plus récemment, les roulements à aiguilles ont été conçus avec des conceptions de cage nettement améliorées, comprenant par exemple des cages précontraintes spéciales.

La précession permet non seulement de répartir l’usure entre tous les rouleaux, mais aussi de répartir le lubrifiant autour du roulement. Le «faux brinelling» est un mode de défaillance typique des roulements à aiguilles en cage, en particulier dans les applications de transmission de puissance. Ces modes de défaillance sont généralement causés par des micro-vibrations et des mouvements entre les éléments roulants et les tourillons du chemin de roulement, créant des conditions de contact métal à métal.

Les améliorations apportées, telles que décrites, ont permis aux derniers modèles de rouleaux cages de roulements d'offrir des capacités de charge statique supérieures de 25% pour des roulements de taille similaire, ce qui équivaut à plus du double de la capacité de charge dynamique. Pour les applications comportant plusieurs petits mouvements, la durée de vie des roulements augmente généralement de trois à cinq fois.