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Les roulements et leur importance dans des mécanismes
Aujourd’hui, les systèmes mécaniques doivent maintenir des conditions de travail extrêmes, ils sont composés par les membres en mouvement relatif permettant leurs fonctions cinématiques. les roulements à billes sont les typologies les plus courants de joints utilisés pour rapprocher les surfaces conjugué d’une paire de contact cylindrique .
Une première idée pour réduire le frottement est de remplacer le frottement de glissement par du frottement de roulement. Historiquement, dans le cas du transport de charges lourdes, l’idée d’utiliser des rondins de bois placés sous les blocs de pierres ou les statues, a été développée aux alentours de 4000-5000 ans avant J.C. pour le transport des menhirs. Dans cette même optique, les premières roues, en bois, utilisées dans les transports ont été inventées vers 4000 ans avant J.C. Ce passage du frottement de glissement au frottement de roulement a permis de réduire les frottements d’un facteur 10.
Une seconde idée pour réduire le frottement consiste à lubrifier les contacts. Dès 2400 ans avant J.C., des bas-reliefs égyptiens montrent l’usage de substances liquides versées à l’avant de ‟traîneauxˮ lors du déplacement de statues afin de réduire le frottement de glissement . Ces deux techniques de réduction du frottement vont donc évoluer ensemble. Le grec Diades conçoit un bélier sur une glissière à rouleaux en 330 avant J.C . Puis, les romains mettent au point une sorte de butée à billes (billes en bronze logées dans des chemins de roulement en bois) retrouvée en 1895 dans une galère coulée au fond du lac Nemi en Italie vers l’an 40. Mais, ce n’est qu’au XVème siècle que le premier roulement, muni d’une cage évitant le contact entre les éléments roulants, est imaginé et dessiné par Léonard de Vinci.
Sélection des roulements
Il existe un certain nombre de facteurs qui entrent dans le processus de sélection du type et des dimensions du roulement. Pour faire le meilleur choix, il faut tenir compte de ces facteurs et les analyser. Dimensions : Le volume d’un roulement est généralement limité. Dans la plupart des cas, le diamètre d’arbre (ou le diamètre d’alésage du roulement) a été déterminé en fonction de la conception de la machine. Les dimensions et le type de roulement sont donc déterminés en fonction des diamètres d’alésage. C’est pourquoi tous les tableaux dimensionnels sont organisés selon les diamètres d’alésage standard. La gamme de roulements standards et de dimensions est large : le bon choix pour des applications spéciales peut se faire à l’aide de ces tableaux . Charge appliquée au roulement : Les caractéristiques, l’intensité et la direction des charges appliquées à un roulement sont très variables. En général, les charges de base données par les tableaux dimensionnels des roulements indiquent leur capacité de charge. Cependant, en déterminant le type de roulement approprié, il faut tenir compte de la direction de la charge (axiale, radiale, combinée), etc. A dimensions identiques, la capacité de charge des roulements à rouleaux est plus élevée que celle des roulements à billes, et ils résistent mieux aux vibrations et aux chocs.
Durée de vie : Il est statistiquement possible de définir la durée de vie d’un roulement. Par définition, la durée de vie établit la longévité en nombre de tours ou en heures d’utilisation d’un roulement, il est nécessaire de connaître la durée de fonctionnement de ces roulements afin qu’ils soient remplacés au bon moment. Mais la difficulté réside dans la prédiction de cette durée de fonctionnement encore appelée durée de vie.
Au sens le plus général de ce terme, la durée de vie d’un roulement est la période au cours de laquelle le roulement continue à fonctionner correctement. En d’autres termes la durée de vie d’un roulement peut être rapportée à la persistance de toutes conditions caractéristiques de son fonctionnement.
Vitesse de rotation : La vitesse de rotation acceptable pour un roulement diffère selon le type de roulement, la taille, les tolérances, le type de cage, la charge appliquée, et les conditions de lubrification et de refroidissement.
En général, les roulements à billes à gorges profondes, à contact oblique, et les roulements à rouleaux cylindriques conviennent le mieux à des applications à vitesse élevée.
Classement des roulements
Quelle que soit la taille, la qualité et la matière utilisée pour la fabrication du roulement, les roulements sont classées de plusieurs manières.
En premier lieu, ils sont classés d’après la forme des éléments roulant utilisés (roulements à billes ou à rouleaux), et ce d’après l’importance de la charge appliquée au roulement. Si la charge est importante, il faut choisir le roulement à rouleaux, ce type de roulement est très proche de celui à billes, la cage contenant des rouleaux au lieu de billes. Selon la forme des rouleaux il peut être possible de séparer les bagues. Le problème d’assemblage du roulement n’est alors plus le même. Le roulement à rouleaux supporte un effort radial supérieur par rapport au roulement à billes, car le contact des éléments roulants avec les bagues est linéaire. On utilise le roulement à rouleaux pour augmenter la surface de contact afin de minimiser les contraintes ou les pressions sur les pistes. En deuxième lieu, ils sont classés d’après la direction d’application de ces charges, à cet effet, il existe les roulements radiaux s’il s’agit d’une charge radiale et des roulements axiaux (butées) dans le cas d’une charge axiale importante.
Le choix du type et de la taille d’un roulement est basé sur les conditions de fonctionnement et les caractéristiques de construction afin d’assurer un bon fonctionnement à des coûts réduits. Les facteurs qu’il faut prendre en considération, pour réaliser un choix optimal de roulement, sont les suivants : la nature, la direction ainsi que l’intensité de la charge que doit supporter le roulement; la vitesse de rotation du roulement ; la durée de vie souhaitée (demandée) ; la température à laquelle le roulement va travailler ; la précision de fonctionnement afin de fixer le jeu interne de chaque roulement ; le mode de lubrification, ainsi que le type de lubrifiant ; la nature de la machine pour faire le choix du type de montage du roulement; la matière de l’arbre et du logement pour permettre de calculer le jeu résiduel (fonctionnel) du roulement. l’encombrement réservé au roulement.
Types de roulement
Roulement rigide à une seule rangée de billes (contact radial) : C’est le roulement le plus utilisé, il s’agit d’un symétrique, souvent utilisé avec gorge profonde. Ce qui lui permet de supporter des charges purement radiales importantes, ou combinées dans les deux sens. Il est adapté pour des vitesses de rotation très élevée.
Ce type de roulement se fabrique en plusieurs versions, on trouve le roulement sans protection, protégé d’un seul côté ou des deux côtés par un flasque de protection fixé sur la bague extérieure et présente un jeu très réduit avec la bague intérieure . Il permet de conserver la quantité de lubrifiant et empêche la pénétration des corps étrangers à l’intérieur du roulement.
Roulement à contact oblique à une seule rangée de billes : Dans ce type de roulement, les pistes (chemins) sont usinées avec un épaulement haut sur la bague intérieure, et un autre bas sur la bague extérieure. Les deux épaulements sont disposés l’un en face de l’autre. A cet effet, ce type de roulement est adapté pour des charges axiales appliquées sur un seul sens .
La zone de charge (pré-charge) de ce type de roulement est variable, elle est réglée en fonction du jeu axial. Le jeu de fabrication est considérable de sorte que, sous charge axiale il se produit un certain angle de contact qui peut atteindre 40°.
Si la charge axiale appliquée est importante, il est préférable de prendre un angle de contact important, et inversement lorsque la vitesse de rotation est très élevée. Les utilisations principales sont moteurs électriques verticaux avec charge axiale, paliers de butée de pompes, machines-outils, roues avant d’automobiles, etc.
Roulement à contact oblique sur deux rangées de billes : C’est le type de roulement où les bagues intérieure et extérieure possèdent deux pistes. Les deux rangées de billes sont disposées de façon que les angles de contact soient deux roulements à une seule rangée. Ils peuvent supporter des charges axiales importantes dans les deux sens . Les utilisations principales sont les paliers de transmission, les ventilateurs centrifuges, etc.
Roulement à rotule sur deux rangées de billes : La bague intérieure de ce type de roulement est caractérisée par deux pistes profondes , alors que la piste ou celle extérieure dispose d’une seule piste de forme sphérique. Cette construction permet aux axes des bagues intérieure et extérieure de basculer d’un angle assez important l’un par rapport à l’autre.
Ce type de roulement est adapté aux applications où la précision d’alignement des alésages des logements n’est pas assurée. Il est caractérisé par un angle de contact réduit, ce qui limite son utilisation juste à des charges axiales faibles.
Roulement à rouleaux sphériques : C’est un roulement à rotule à double rangée de rouleaux qui comporte, comme le roulement à rotule sur billes, un chemin de bague extérieure sphérique, ce qui conduit les rouleaux à avoir une forme de ‟ tonneau ˮ .
Roulement à une seule rangée de rouleaux cylindriques : Pour réduire les contraintes dans le cas d’une charge radiale importante, il faut que la surface de contact soit plus grandes. Dans ce cas, il est nécessaire de passer d’un contact ponctuel à un contact linéaire. C’est-à-dire, il faut installer des roulements à rouleaux cylindriques au lieu des roulements à billes.
Le guidage des rouleaux dans ce type de roulements est assuré par des épaulements usinés et rectifiés sur les bagues intérieures, extérieures ou les deux bagues de roulements à la fois (selon le type de montage). Selon la forme des bagues, le roulement à rouleaux cylindrique est classé en ce qui suit : Roulement avec bague extérieure démontable dans les deux sens. Roulement avec bague intérieure démontable dans les deux sens. Roulement avec bague intérieure démontable dans un seul sens. Roulement avec bague extérieure démontable dans un seul sens.
La fabrication de ces différents types donne la possibilité de les utiliser dans le cas des charges radiales importantes à des vitesses de rotation élevées, et pour des machines qui possèdent des déplacements axiaux. L’épaulement de guidage usiné sur les bagues ne permet pas l’utilisation de ce type de roulement dans le cas des charges axiales importantes.
Les utilisations principales sont les moteurs électriques, les turbocompresseurs, les ventilateurs, les boîtes de vitesses, etc.
Roulement à rotule sur deux rangées de rouleaux : Les roulements à rotules sur deux rangées de rouleaux comportent deux chemins usinés sur la bague intérieure et séparés par un épaulement afin d’assurer un bon guidage. La bague extérieure possède un chemin de forme sphérique. Ce type de roulement est utilisé pour compenser les défauts d’alignement , ou la flexion de l’arbre due à l’action d’une charge importante.
Situation et géométrie du roulement à bille
Les roulements à billes à gorges profondes (6411 N) d’une boite à vitesse type BDSL 6051 d’un Camion Militaire Algérien, type SNVI M 230 sont les plus utilisés dans l’industrie, Leur part de marché représente environ 80% des roulements industriels. Ce roulement peut supporter une charge de poussée d’environ 70% de sa charge radiale , la charge radiale et la capacité de charge axiale augmentent avec la taille du roulement et le nombre de billes.
Le chargement statique normal d’une surface sur une autre entraînera un contact ponctuel ou linéaire en fonction de la forme des corps en contact. En réalité, les surfaces se déforment élastiquement pour former une zone de contact, générant une pression de contact à l’interface. Les calculs antérieurs des contraintes sur la surface ont été conduits sous la théorie d’Hertz, c’est-à-dire avec des surfaces de contact idéalement lisses.
Le mouvement est inhérent aux contacts de roulement à bille combinant une cinématique à la fois de roulement et de glissement. Lors du glissement, une force tangentielle de frottement est exercée sur la surface de contact, principalement par cisaillement du lubrifiant. La force tangentielle moyenne sur l’aire de contact est proportionnelle à la charge normale et est fonction du coefficient de frottement µ. Cependant, le coefficient de frottement peut être considérablement augmenté en cas d’une lubrification insuffisante et de grande rugosité de surface, élevant ainsi le risque de défaillances des roulements à billes.
Table des matières
Introduction générale
CHAPITRE I: Etat de l’art sur les roulements
I.1. Roulements à billes
I.1.1. Description
I.1.2. Sélection des roulements
I.1.2.1. Dimensions
I.1.2.2. Charge appliquée au roulement
I.1.2.3. Durée de vie
I.1.2.4. Vitesse de rotation
I.1.2.4.1. Vitesse de base
I.1.2.4.2. Vitesse limite ou admissible
I.1.2.5. Tolérances
I.1.2.6. Rigidité
I.1.2.7. Désalignement entre les bagues intérieure et extérieure
I.1.2.8. Niveau sonore et couple résistant
I.1.2.9. Montage et démontage
I.1.2.9.1. Montage direct des roulements (en X)
I.1.2.9.2. Montage indirect des roulements (en O)
I.2. Classement des roulements
I.3. Types de roulement
I.3.1. Roulement rigide à une seule rangée de billes (contact radial)
I.3.2. Roulement à contact oblique à une seule rangée de billes
I.3.3. Roulement à contact oblique sur deux rangées de billes
I.3.4. Roulement à rotule sur deux rangées de billes
I.3.5. Roulement à rouleaux sphériques
I.3.6. Roulement à une seule rangée de rouleaux cylindriques
I.3.7. Roulement à rotule sur deux rangées de rouleaux
I.3.8. Butée
I.3.8.1. Butée à billes
I.3.8.2. Butée à billes à simple effet
I.3.8.3. Butée à billes à double effet
I.3.8.4. Butée à rouleaux cylindriques
I.3.9. Roulement à rouleaux coniques
I.4. Situation et géométrie du roulement à bille
I.5. Prédiction de la durée de vie des roulements à bille
I.5.1. Modèle de Richard Stribeck
I.5.2. Modèle de John Goodman
I.5.3. Modèle d’Arvid Palmgren
I.5.4. Modèle de G. Lundberg et A. Palmgre
I.5.4.1. Normes de charge et de durée de vie
I.5.4.2. Facteurs de correction de la durée de vie
I.5.4.3. Facteur de fiabilité-durée de vie
I.5.4.4. Facteur de durée de lubrification
I.5.5. La théorie de Ioannides Harris
I.6. Epilogue
CHAPITRE II : Les modes de dégradation
II.1. Introduction
II.2. Généralités sur la dégradation
II.3. Définition de la dégradation
II.4. Les causes de dégradation des roulements
II.4.1. Effet des contraintes mécaniques
II.4.2. Défauts de montage
II.4.3. Contamination
II.4.4. Corrosion
II.4.5. Passage du courant électrique
II.4.6. Défaut de lubrification
II.4.7. Température de fonctionnement
II.5. Types d’avaries
II.6. Techniques de surveillance et indicateurs de la dégradation des roulements
II.7. Représentation de la dégradation
II.8. Formes générales de la dégradation
II.9. Modèle de dégradation
II.9.1. Modèles de trajectoires de dégradation
II.9.1.1. Modèle linéaire
II.9.1.2. Modèle Puissance.
II.9.1.3. Modèle logarithmique
II.9.2. Modèles d’ajustement statistique sur les données
II.9.3. Modèles de régression (non) linéaires sur les données
II.9.4. Modèles de dégradation intégrant les défaillances traumatiques
II.9.5. Modèles basés sur des séries temporelles de données
II.9.6. Modèles d’interférence contrainte-résistance
II.9.7. Modèles de dommages cumulés et de chocs
II.9.7.1. Modèle de dommage cumulé
II.9.7.2. Modèle de dommage indépendant
II.9.8. Modèles de dégradation continue
II.9.8.1. Processus de Wiener
II.9.8.2. Processus Gamma
II.9.8.3. Chaînes de Markov
II.9.9. Les tests accélérés
II.9.10. Modélisation physique des défaillances
II.9.11. Modélisation statistique des temps de défaillance obtenus par les ALTs
II.10. Champs d’application pour les différents modèles de dégradation présentés
II.10.1. Modèles de trajectoires de dégradation
II.10.2. Modèles d’ajustement statistique
II.10.3. Modèles de régression (non) linéaires
II.10.4. Modèles mixtes intégrant les défaillances traumatiques
II.10.5. Modèles de séries temporelles
II.10.6. Modèles d’interférence contrainte-résistance
II.10.7. Modèles de dommage cumulés et de chocs
II.10.8. Modèles de Markov
II.10.9. Modèles de Wiener
II.10.10.Modèles Gamma
II.11. La détection de défaut
II.11.1. Le diagnostic
II.11.2. Le pronostic
II.11.2.1. L’approche fiabiliste
II.11.2.2. L’approche basée sur la modélisation physique des défaillances
II.11.2.3. L’approche basée sur le savoir d’experts
II.11.2.4. L’approche orientée données
II.12. Conclusion
CHAPITRE III: Modélisation des roulements à billes
III.1. Introduction
III.2. Modélisation par éléments finis des roulements à billes
III.2.1. Modélisation tridimensionnelle du contact dans le roulement
III.2.2. Conditions aux limites
III.2.3. Acier des roulements
III.2.4. Chargement et contact entre les billes et les bagues intérieures et extérieures
III.2.5. Etude du maillage
III. 3. Exécution de la simulation (Résultats et discussions)
III.3.1. Influence des propriétés du matériau
III.3.2. Influence de la température
III.3.3. Influence de la température et du coefficient de frottement sur le nombre de cycles.
III.3.4. Influence de la température et du coefficient de frottement sur les contraintes
III.3.5. Influence de la charge d’application
III.3.6. Influence de la charge d’application et de la vitesse de rotation
III.4. Conclusion
CHAPITRE IV Analyse fiabiliste et inspections des roulements
IV.1. Analyse fiabiliste
IV.1.1. Premier Cas
IV.1.2. Deuxième Cas
IV.2. Les inspections des roulements
IV.2.1. Introduction
IV.2.2. Inspection des roulements pendant le fonctionnement
IV.2.3. Surveillance des conditions de lubrification
IV.2.4. Impact de l’inspection sur les coûts
IV.2.5. Analyse des Coûts
IV.3. Conclusion
Conclusion Générale et Perspectives
