Calcul de la durée de vie d'un roulement : Quand faut-il le changer ?
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Calcul de la durée de vie d'un roulement : Quand faut-il le changer ?

Durée de vie d'un roulement : Quand le changer ?

Les roulements sont des composants mécaniques servant au guidage en rotation des arbres. Aujourd’hui, le roulement est l’une des pièces mécaniques les plus répandues, car leur technologie facilite presque tous les types de déplacement et parce qu’il contribue à réduire les frottements.

Il existe de nombreux types de roulements, chacun ayant été conçu pour un type d'application précis, ou afin de répondre à des contraintes imposées par les mécanismes industriels. Lorsque l’on choisit un roulement, il y a bien sûr les critères de type et de dimension du roulement, mais sa durée de vie est aussi un critère primordial à prendre en compte. Connaitre la durée de vie d’un roulement est essentiel dans le domaine de la mécanique.

L'usure du roulement et sa durée de vie dépendent fortement des conditions de travail du roulement ainsi que de sa caractéristique principale. Même dans des conditions normales de fonctionnement des roulements, les surfaces des pistes de roulement et des éléments roulants sont soumises à des contraintes de compression répétées, qui provoquent l’écaillage de ces surfaces. Ce phénomène d’écaillage est causé par la fatigue des matériaux et peut entraîner une défaillance des roulements.

La durée de vie roulement est généralement définie par le nombre total de tours que peut effectuer le roulement avant l’apparition de signes d’écaillage. La défaillance d’un roulement peut aussi être provoquée par d’autres phénomènes, tels que le grippage, l’abrasion, la fissuration, le burinage, le rongement, l’oxydation/rouille… dus à une installation incorrecte, une lubrification insuffisante ou non appropriée, un défaut d’étanchéité ou un mauvais choix de roulement. De tels aspects sont à considérer indépendamment du calcul de la durée de vie d’un roulement.

La durée de vie d’un roulement dépend de plusieurs facteurs, mais avant tout de l’usure

Sous charge et au cours du mouvement de rotation, les chemins des bagues de roulements reçoivent de la part des éléments roulants, billes ou rouleaux, des millions de compressions élastiques intermittentes. Avec le temps, il en résulte des fissurations amenant progressivement un écaillage des surfaces, c'est ce qu’on appelle le phénomène de fatigue.

Dans certaines applications, les roulements peuvent subir une perte de matériau significative résultant d’une lubrification insuffisante, de particules abrasives, de la corrosion ou d’un fonctionnement avec oscillations, entre autres causes. Cette usure peut, à son tour, avoir un effet néfaste sur le fonctionnement des roulements, qui peut aller de la réduction de la précharge jusqu’à des conséquences potentiellement catastrophiques, et par extension sur l’intégrité même du roulement et sa durée de vie.

Une conséquence commune et probablement inattendue d’une usure irrégulière des pistes de roulements est un risque accru de fatigue de surface. Dans certaines applications, il n’est pas rare d’observer des bandes de fatigue ou écaillage de surface le long des pistes. Ce phénomène est lié à la modification du profil des pistes qui peut s’opérer sous l’effet d’une usure irrégulière et se traduire par une concentration des contraintes au niveau des lignes de pression élevée et une diminution de l’épaisseur du film lubrifiant.

Les formules de calcul de la durée de vie d’un roulement

Le Basic Rating Life Model

En 1947, les phénomènes agissant sur la durée de vie du roulement ont été pour la première fois modélisés. Il en résulte une première formule de calcul durée de vie roulement, permettant de déterminer les dimensions des montages de roulements à partir de la charge : le Basic Rating Life Model (qui devenait une norme ISO en 1962).

La durée de vie s’exprime alors par la formule : L10 = (C/P)p

Avec :

  • C = Charge dynamique de base (donnée par le constructeur);
  • P = Charge dynamique équivalente;
  • p = Exposant de durée de vie (pour les roulements à rouleaux : p = 10/3 ; pour les roulements à billes : p = 3).

Notons que la charge dynamique de base est la charge pour laquelle la durée nominale calculée de la population de roulements avec une fiabilité de 90 % correspond à un million de tours. Le calcul de durée de vie donne donc un résultat statistique : L10 signifie que statistiquement, 90% des roulements atteindront cette durée de vie avant les premiers signes d'usure.

Le résultat est en millions de tours, pour un résultat en heures, on a : L10h = 16 667.L10 / N, dans laquelle N est la vitesse de rotation en tr/min.

Pour calculer la charge dynamique équivalente « P », la formule est : P = X.Fr + Y.Fa, avec « Fr » la force radiale appliqué au roulement et « Fa » la force axiale appliquée au roulement. Généralement, les coefficients X et Y sont donnés par le constructeur.

Le Modified Life Model

En 1989, le Modified Life Model propose un nouveau modèle de calcul de la durée de vie d’un roulement tenant compte de la réalité de la lubrification et des effets de sa contamination, il devint une norme ISO en 2007. Comme vu plus haut, le calcul de durée de vie du roulement est fait pour une fiabilité de 90% (statistiquement, 90% des roulements atteindront la durée de vie calculée).

La durée de vie s’exprime ainsi par la formule : L10m = a (C/P)p, dans laquelle « a » est un facteur (coefficient) caractérisant la lubrification.

Si l’application nécessite alors une fiabilité supérieure, on peut donc multiplier la durée de vie L10 par l'un des coefficients suivants :

FiabilitéCoefficient
95% 0.64
96% 0.55
97% 0.47
98% 0.37
99% 0.25
99.5% 0.175

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