Roulements à aiguilles: 60 ans et toujours en évolution

- Dec 03, 2019-

Roulements à aiguilles: 60 ans et toujours en évolution

Alors que la conception de base d'un roulement à aiguilles n'a pas beaucoup changé au cours des 60 dernières années, des développements continus ont abouti à de nouvelles conceptions de cages qui offrent cinq fois la durée de vie et doublent la charge statique de leurs homologues d'origine.

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La plupart des ingénieurs de conception connaissent déjà les avantages techniques d'un roulement à aiguilles - la capacité de gérer des charges relativement élevées dans une enveloppe de conception compacte. Cet avantage technique a fait du roulement à aiguilles le choix de roulement préféré dans une grande variété d'applications de transmission de puissance industrielle et automobile au fil des ans.

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

La structure typique d'un roulement à aiguilles comprend une bague intérieure (ou parfois juste un arbre), une cage à aiguilles qui oriente et contient les rouleaux à aiguilles, les rouleaux à aiguilles eux-mêmes et un chemin de roulement extérieur. Il existe de nombreuses conceptions différentes de roulement à aiguilles, y compris la cuvette étirée, la course de précision, le rouleau en cage et le rouleau de poussée. Ici, nous considérons le type de rouleau en cage.

Le roulement à aiguilles à cage a pour fonction de supporter les charges radiales et les vitesses de rotation. Ici, une cage guide et retient les rouleaux. Les conceptions en cage sont généralement disponibles en modèles à une ou deux rangées, avec une grande variété de matériaux de cage disponibles, y compris l'acier, le plastique (PA66) et l'aluminium. Les conceptions de roulements à plusieurs rangées augmentent la capacité de charge.

Les cages, qu'elles soient en acier ou en plastique, peuvent être fabriquées dans une variété de constructions différentes, y compris la cage solide, les moitiés simples et divisées (en deux pièces). Ces cages peuvent également incorporer des passages de lubrification et d'autres fonctionnalités conçues sur mesure.

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

Quel que soit le type des quatre principaux types de roulements à aiguilles sélectionné pour une application, les ingénieurs doivent prendre en compte une variété de 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 boîtier et de l'arbre, durée de vie et exigences de lubrification.

L'histoire du roulement à aiguilles

En 1949, à la fin de la Seconde Guerre mondiale, les fondateurs de l'INA (aujourd'hui The Schaeffler Group), le Dr Georg Schaeffler et son frère, Wilhelm, ont inventé un nouveau type de roulement à aiguilles, le roulement à aiguilles à cage INA.

C'est lors de la fabrication de roulements pour l'armée américaine que Georg Schaeffler a d'abord réfléchi à la manière de surmonter les inconvénients des roulements à aiguilles à aiguilles. À l'époque, les conceptions de roulements avec éléments roulants avaient tendance à s'incliner, en particulier à des vitesses de fonctionnement élevées, et souffraient donc d'une augmentation de la résistance au frottement (chaleur). De plus, le roulement se bloquait facilement là où le jeu était serré. La solution du Dr Georg Schaeffler en 1949 a été de guider les aiguilles axialement dans une cage.

Le roulement à aiguilles à cage a surmonté ces inconvénients tout en offrant des vitesses élevées et un faible frottement. En travaillant avec une équipe d'ingénieurs à l'INA, Georg a développé l'idée jusqu'à ce qu'elle soit prête pour la production de masse, puis est parti avec son frère armé d'une caisse d'échantillons pour convaincre les clients des avantages de son nouveau roulement à aiguilles.

Au cours des premières années, le développement d'INA était étroitement lié à l'industrie automobile. En effet, la première cible du roulement à aiguilles à cage était l'industrie automobile et certains des premiers clients à se convertir à la nouvelle technologie étaient Mercedes Benz et Adler Motorcycles. L'activité roulement INA avait véritablement commencé. En peu de temps, le roulement à aiguilles à cage du Dr Schaeffler était devenu un élément essentiel dans de nombreuses conceptions de machines et d'installations automobiles et industrielles.

Il est remarquable que le génie de l'ingénierie du roulement à rouleaux à aiguilles en cage du Dr Schaeffler soit toujours utilisé dans sa conception d'origine aujourd'hui. Cependant, la conception originale n'est pas restée immobile au fil des ans, mais a été continuellement améliorée et adaptée pour répondre à des demandes de plus en plus diverses.

Le roulement à aiguilles à cage a contribué de manière significative au développement de véhicules plus petits, plus efficaces et plus économiques. Même aujourd'hui, il serait difficile d'imaginer un système de transmission automobile qui n'utilise pas de roulements à aiguilles.

Aujourd'hui, les roulements à aiguilles sont fabriqués dans plus de 15 000 variantes, avec de nouvelles conceptions personnalisées pour répondre aux exigences particulières des applications des clients.

Les roulements à aiguilles usinés constituent le cœur de la gamme, en particulier avec l'introduction récente du standard de qualité premium Schaeffler X-life. Les roulements à aiguilles fabriqués en qualité X-life offrent désormais une augmentation de 13% de la charge dynamique par rapport aux roulements conventionnels, ce qui correspond à une augmentation de 50% de la durée de vie.

Pour le client, ces améliorations signifient moins de contraintes de lubrifiant, une friction réduite et des températures de roulement plus basses, ce qui se traduit à son tour par un roulement plus économe en énergie. De plus, l'augmentation de la capacité de performance permet de réduire le roulement pour l'application, avec des réductions correspondantes du poids du roulement et de ses besoins d'espace.

Dans le cas peu probable où les exigences d'application dépasseraient même les roulements X-life, de nouvelles améliorations des performances techniques peuvent être obtenues grâce à l'utilisation de nouveaux revêtements et matériaux de roulements.

Un projet actuellement en cours dans la division automobile de Schaeffler concerne la refonte d'un ensemble d'engrenages planétaires à grande vitesse pour une boîte de vitesses automatique sur un nouveau véhicule électrique hybride pour passagers.

"Les constructeurs automobiles exigent désormais des roulements et d'autres composants du moteur qui offrent de meilleures caractéristiques de friction, et c'est donc là que les avantages du roulement à aiguilles à cage entrent en jeu."

Davies dit qu'une conception spéciale de la cage pour le roulement à aiguilles et des caractéristiques améliorées qui améliorent les caractéristiques de débit de lubrification du roulement ont entraîné une conception à faible friction du roulement, ce qui a permis de réduire le jeu d'engrenages planétaires du client pour les différentiels électriques. taille, pesant 17% de moins que le système d'origine. Les roulements, combinés à un flux d'huile optimisé à travers le support, ont permis des vitesses de fonctionnement 20% plus élevées (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 accueillir l'arbre et l'alésage du logement de l'engrenage est fini pour supporter un chemin de roulement de roulement. Sinon, une bague extérieure ou intérieure aurait été nécessaire », explique Davies.

Amélioration du débit d'huile

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

De la fin des années 80 au début des années 90, les améliorations de la conception des cages se sont concentrées sur des conceptions plus minces avec une masse réduite. D'autres améliorations ont inclus de nouvelles caractéristiques de conception qui ont aidé à 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 sont fournis avec des conceptions de cage bien améliorées, y compris, par exemple, des cages spéciales.

La précession aide non seulement à répartir l'usure entre tous les rouleaux, mais distribue également du lubrifiant autour du roulement. Le «faux brinelling» est un mode de défaillance typique pour les roulements à aiguilles à 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 sur métal.

Le résultat d'améliorations telles que celles décrites, a permis aux dernières conceptions de rouleaux à cage de roulement d'être en mesure d'offrir des capacités de charge statique jusqu'à 25% supérieures pour un roulement de taille similaire, ce qui équivaut à plus du double de la charge dynamique. Pour les applications avec plusieurs petits mouvements, la durée de vie des roulements augmente généralement de trois à cinq fois.

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