Dimensionnement roulement
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Dimensionnement roulement : Calculer la durée de service du roulement

Dimensionnement roulement

Afin d’assurer la marche parfaite des roulements pour chaque montage, il est indispensable de bien respecter le dimensionnement roulement et les ajustements prescrits. En effet, qu’il s’agisse d’un roulement à billes, d’un roulement à rouleaux, d’un roulement à aiguilles, d’un roulement à deux rangées… quel que soit le type de roulement, la taille et les caractéristiques techniques des roulements doivent être appropriées pour assurer qu’il est bien dimensionné pour offrir la durée de service requise/escomptée dans les conditions de fonctionnement définies.

Les principales fonctions des roulements et des paliers sont de supporter et de centrer les arbres de machines, de diminuer la friction absorbée, et de transmettre les charges à différentes vitesses et températures de fonctionnement. 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. Par ailleurs, les performances de chaque composant contribuent aux performances et à la durée du roulement ou les déterminent. Il en résulte, avec le temps, des fissurations amenant progressivement un écaillage des surfaces. C'est le phénomène de fatigue du roulement. Lorsqu’on parle alors de dimensionnement roulement, on fait référence à plusieurs paramètres, notamment la durée de vie du roulement, la charge dynamique, la charge statique, charge radiale, charge axiale, etc.

La durée de vie d'un roulement se définit par le nombre d'heures de fonctionnement à vitesse constante que le roulement peut faire avant de manifester des signes de fatigue. Ces durées sont calculées par des essais en laboratoire. La durée moyenne équivaut à cinq fois la durée nominale calculée. Le concept avec lequel on travaille en mécanique industrielle est le concept de la durée de service qui est déterminée par le constructeur de l'équipement. La durée de service est la durée réelle atteinte par un roulement donné avant qu'il ne devienne inutilisable.

Notion de dimensionnement des roulements

Dimension d’un roulement

Le diamètre intérieur, le diamètre extérieur et la largeur constituent en règle générale les dimensions d’un roulement. Le diamètre intérieur « d » est calculé à partir du diamètre de l’arbre. Le diamètre extérieur « D » et la largeur « B » quant à eux sont limités par l’espace disponible.

Méthode de calcul de la durée de vie des roulements

La durée de vie (moyenne statistique) « L10 » d'une série de roulements identiques, soumis à la même charge, est égale au nombre de tours, ou de révolutions, réalisés par 90 % des roulements de la série avant qu'apparaissent les premiers signes de fatigue. La durée de vie normalisée se calcule en millions de tours, parfois par commodité en heures de fonctionnement.

Méthode de calcul de la capacité de charge dynamique

En dépit de l'utilisation d'aciers spéciaux très résistants, les roulements ont une durée de vie limitée. Cette durée dépend principalement de la charge supportée. Plus la charge est faible, plus la durée de vie est longue, et inversement. Ainsi, la charge dynamique « C » d’une série de roulements identiques, est la charge radiale (axiale pour une butée), constante en intensité et en direction, que peut endurer 90 % des roulements du groupe pendant 1 million de tours, avant qu'apparaissent les premiers signes de fatigue. Pour une même référence normalisée de roulement, la valeur de C peut varier sensiblement d'un fabricant à l'autre.

Méthode de calcul de la charge équivalente

La charge équivalente « P », quant à elle, est une charge radiale pure, donnant exactement la même durée de vie que la combinaison charge axiale « Fa » plus charge radiale « Fr » réellement exercée sur le roulement.

« Fa » et « Fr » étant connues, la charge P est calculée à l'aide de la relation : P = XFr + YFa

X et Y sont des coefficients normalisés liés à la nature du roulement et à ses dimensions

Méthode de calcul de la capacité de charge statique

Pour un roulement chargé à l'arrêt, ou dans le cas de mouvements de faible amplitude et de petites oscillations, « C0 » représente la charge statique limite à ne pas dépasser. Au-delà de cette charge, les déformations des éléments roulants deviennent inadmissibles. La plupart des fabricants admettent une déformation maximale admissible égale à 0,0001 du diamètre moyen de l'élément roulant (conformément à l'ISO 76).

Autant la durée de vie (moyenne statistique) « L10 », la charge dynamique « C », la charge équivalente « P », la capacité de charge statique « C0 »… sont des caractéristiques de base de dimensionnement de roulements ; toutes ces valeurs sont généralement indiquées dans les catalogues des fabricants en même temps que les dimensions d, D et B.

Le choix de la taille du roulement approprié

Pour déterminer la taille de roulement appropriée pour un montage donné, on peut alors se baser sur des critères principaux comme la durée nominale souhaitée et la charge statique, par exemple. En effet, pour les applications dans lesquelles les roulements fonctionnent dans des conditions typiques, à savoir vitesses normales, bonne lubrification et sans charges extrêmes ou chocs, on peut choisir la taille à partir de la durée de vie escomptée. Et pour les applications dans lesquelles les roulements tournent à des vitesses très basses ou sont utilisés en statique et en présence de très mauvaises conditions de lubrification ou sont soumis à des pics de charge, dès lors on choisit la taille à partir de la charge statique.

Le choix des roulements à partir de la durée nominale souhaitée sera basé sur la durée requise du roulement, en prenant en compte les effets possibles de la fatigue de contact, et requiert le calcul de la durée de vie (moyenne statistique) « L10 ». Pour le choix de la taille, on peut se baser sur la charge statique « C0 » que peut supporter le roulement, en prenant en compte les effets possibles de la déformation permanente.

Somme toute, les conditions de fonctionnement de l'application déterminent lesquels de ces facteurs de dimensionnement d’un roulement ont le plus d'impact sur les performances et la durée du roulement.

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