D’un petit chariot de supermarché à d’énormes centrales électriques, un grand nombre d’équipements légers ainsi qu’industriels ne pourraient pas fonctionner sans l’utilisation de roulements sous une forme ou une autre.

Les roulements sont un composant tribologique crucial de nombreux types de machines et existent dans une variété de formes. Ils peuvent être définis comme un composant qui supporte/permet uniquement un type spécifique de mouvement (restriction des degrés de liberté) dans un système qui peut être soumis à une charge statique ou dynamique.

Un exemple est une porte coulissante. La porte ne peut pas être soulevée ou retirée de son emplacement. Elle ne permet que le glissement pour l’ouvrir. Le mouvement possible est limité au glissement par les roulements.

Quel est le but des roulements ?

Le but principal des roulements est d’empêcher le contact direct métal sur métal entre deux éléments qui sont en mouvement relatif. Cela permet d’éviter le frottement, la production de chaleur et, au final, l’usure des pièces. Il réduit également la consommation d’énergie, car le mouvement de glissement est remplacé par un roulement à faible frottement.

Ils transmettent également la charge de l’élément rotatif au logement. Cette charge peut être radiale, axiale, ou une combinaison des deux. Un roulement limite également la liberté de mouvement des pièces mobiles à des directions prédéfinies, comme nous l’avons vu précédemment.

Roulements à éléments roulants

Les roulements à éléments roulants contiennent des éléments roulants en forme de billes ou de cylindres. Nous savons qu’il est plus facile de faire rouler une roue que de la faire glisser sur le sol car l’ampleur du frottement de roulement est plus faible que le frottement de glissement. Le même principe est à l’œuvre ici. Les roulements sont utilisés pour faciliter le mouvement libre des pièces dans un mouvement de rotation.

Même lorsque nous avons besoin d’un mouvement linéaire dans les applications, il est facile de convertir un mouvement de rotation en mouvement de glissement. Prenons l’exemple d’un escalator ou d’un convoyeur. Même si le mouvement est linéaire, il est alimenté par des rouleaux qui sont entraînés par des moteurs.

Un autre exemple est une pompe à mouvement alternatif qui peut convertir l’énergie de rotation d’un moteur en mouvement de translation à l’aide de liaisons. Dans chacune de ces applications, des roulements à billes sont utilisés pour supporter les arbres des moteurs ainsi que les arbres des autres rouleaux de l’ensemble.

Les éléments roulants supportent la charge sans beaucoup de frottement car le frottement de glissement est remplacé par un frottement de roulement. Les roulements à éléments roulants peuvent être subdivisés en deux grands types : les roulements à billes et les roulements à rouleaux.

Roulements à billes

Le roulement à billes est l’une des classes de roulements les plus couramment utilisées. Il est constitué d’une rangée de billes comme éléments roulants. Elles sont emprisonnées entre deux pièces métalliques en forme d’anneau. Ces pièces métalliques sont appelées bagues. La bague intérieure est libre de tourner tandis que la bague extérieure est stationnaire.

Les roulements à billes offrent un très faible frottement pendant le roulement mais ont une capacité de charge limitée. Cela est dû à la faible surface de contact entre les billes et les bagues. Ils peuvent supporter des charges axiales dans deux directions en plus des charges radiales.

Les roulements à billes sont utilisés pour contrôler les mouvements oscillatoires et rotatifs. Par exemple, dans les moteurs électriques où l’arbre est libre de tourner mais pas le carter du moteur, les roulements à billes sont utilisés pour relier l’arbre au carter du moteur.

Selon l’application, on peut choisir parmi différents types de roulements à billes.

Avantages des roulements à billes :

• Bonne résistance à l’usure
• Ne nécessitent pas beaucoup de lubrification
• Fournissent un faible frottement, donc peu de perte d’énergie
• Longue durée de vie
• Facile à remplacer
• Petites dimensions générales
• Comparativement bon marché
• Peut supporter des charges de poussée

Inconvénients des roulements à billes :

• Peut se casser sous l’effet de chocs
• Peut être assez bruyant
• Ne peut pas supporter des poids importants

Roulements à billes à gorge profonde

C’est le type de roulement à billes le plus largement utilisé. Coincée entre les deux bagues, une bague de billes transmet la charge et permet un mouvement de rotation entre les deux bagues. Les billes sont maintenues en place par un dispositif de retenue.

Ils ont un très faible frottement de roulement et sont optimisés pour un faible bruit et de faibles vibrations. Cela les rend idéales pour les applications à grande vitesse.

Elles sont comparativement faciles à installer et nécessitent un entretien minimal. Des précautions doivent être prises lors de l’installation pour éviter de bosseler les bagues car elles doivent être emboîtées sur les arbres.

Roulements à billes à contact oblique

Dans ce type de roulement à billes, les bagues intérieure et extérieure sont déplacées l’une par rapport à l’autre le long de l’axe du roulement. Ce type est conçu pour gérer de plus grandes quantités de charges axiales dans les deux directions en plus des charges radiales.

En raison du déplacement des bagues intérieure et extérieure, la charge axiale peut être transférée à travers le roulement vers le logement. Ce roulement convient aux applications où un guidage axial rigide est nécessaire.

Les roulements à contact angulaire sont largement utilisés dans les équipements agricoles, les automobiles, les boîtes de vitesses, les pompes et autres applications à grande vitesse.

Roulements à billes à alignement automatique

Ce type de roulement à billes est immunisé contre les défauts d’alignement entre l’arbre et le logement qui peuvent se produire en raison d’une déviation de l’arbre ou d’erreurs de montage.

La bague intérieure présente des rainures profondes similaires à celles des roulements à billes à gorge profonde, suivies de deux rangées de billes et de la bague extérieure. La bague extérieure a une forme concave et cela accorde à la bague intérieure une certaine liberté pour se réarranger en fonction du désalignement.

Roulements à billes de butée

Les roulements à billes de butée sont un type spécial de roulements à billes conçus spécifiquement pour les charges axiales. Ils ne peuvent absolument pas supporter de charges radiales.

Les roulements à billes de butée présentent un faible bruit, un fonctionnement régulier et sont capables d’applications à grande vitesse.

Ils sont disponibles en tant que roulements à simple ou double sens et la sélection repose sur le fait que la charge est unidirectionnelle ou bidirectionnelle.

Quand utiliser les roulements à billes?

Décrivons donc certaines des conditions de travail qui peuvent nécessiter un roulement à billes.

1. Des charges de poussée sont présentes. La conception des roulements à billes les rend capables de supporter des charges axiales.
2. Pas de charges lourdes. En raison de la présence d’éléments roulants en forme de billes, les roulements concentrent toute la force sur quelques points de contact. Cela peut entraîner une défaillance précoce en cas de charges élevées.
3. Vitesses élevées. Le petit point de contact du roulement à billes signifie également moins de friction. Il y a donc moins de résistance à surmonter et il est donc plus facile d’atteindre des vitesses élevées avec ces types de roulements.

Roulements à rouleaux

Les roulements à rouleaux contiennent des éléments roulants cylindriques au lieu de billes comme éléments porteurs entre les pistes. Un élément est considéré comme un rouleau si sa longueur est supérieure à son diamètre (même si ce n’est que légèrement). Comme ils sont en contact linéaire avec les bagues intérieure et extérieure (au lieu d’un contact ponctuel comme dans le cas des roulements à billes), ils peuvent supporter une charge plus importante.

Les roulements à rouleaux sont également disponibles en différents types. Le type approprié peut être sélectionné après avoir considéré le type et l’ampleur de la charge, les conditions de service et la possibilité de désalignement, entre autres facteurs.

Avantages des roulements à rouleaux :

• Facile à entretenir
• Faible frottement
• Peut supporter des charges radiales élevées
• Les roulements à rouleaux coniques peuvent supporter des charges axiales élevées
• Grande précision
• Utilisés pour régler le déplacement axial
• Faibles vibrations

Inconvénients des roulements à rouleaux :

• Bruyant
• Plus ou moins cher

Roulements à rouleaux cylindriques

Ce sont les plus simples de la famille des roulements à rouleaux. Ces roulements peuvent relever les défis d’une charge radiale importante et d’une vitesse élevée. Ils offrent également une excellente rigidité, une transmission de charge axiale, un faible frottement et une longue durée de service.

La capacité de charge peut être encore augmentée en évitant l’utilisation de cages ou de dispositifs de retenue qui sont habituellement en place pour maintenir les rouleaux cylindriques. Cela permet de monter plus de rouleaux pour supporter la charge.

Ils sont disponibles en version à une rangée, deux rangées et quatre rangées. Ils existent également en variantes fendues et étanches.

Les variantes fendues sont utilisées pour les zones difficiles d’accès comme les vilebrequins de moteur. Dans les variantes étanches, la contamination du roulement est empêchée et le lubrifiant est conservé, ce qui en fait une option sans entretien.

Roulements à rouleaux sphériques

Les charges radiales et axiales lourdes peuvent être un plus grand défi lorsque l’arbre est sujet à un désalignement.

Cette situation peut être très bien gérée par les roulements à rouleaux sphériques. Ils ont des capacités de charge élevées et peuvent gérer le désalignement entre l’arbre et le logement. Cela réduit les coûts de maintenance et améliore la durée de vie.

Les chemins de roulement des roulements à rouleaux sphériques sont inclinés selon un angle par rapport à l’axe du roulement. Au lieu de côtés droits, les rouleaux ont des côtés sphériques qui s’adaptent aux chemins de roulement sphériques et s’accommodent de petits désalignements.

Les roulements à rouleaux sphériques ont un large éventail de cas d’utilisation. Ils sont utilisés dans des applications où des charges lourdes, des vitesses modérées à élevées et des désalignements possibles se produisent. Quelques exemples d’utilisation sont les véhicules tout-terrain, les pompes, les ventilateurs mécaniques, la propulsion marine, les éoliennes et les boîtes de vitesses.

Roulements à rouleaux coniques

Le roulement à rouleaux coniques contient des sections d’un cône comme élément porteur. Ces rouleaux s’insèrent entre les deux bagues qui sont également des sections d’un cône creux. Si les courses et les axes des rouleaux étaient prolongés, ils se rencontreraient tous en un point commun.

Les roulements à rouleaux coniques sont conçus pour supporter des charges axiales plus élevées en plus des charges radiales. Plus le demi-angle de ce cône commun est grand, plus la charge axiale qu’il peut supporter est importante. Ainsi, ils fonctionnent comme des roulements de poussée ainsi que des roulements de charge radiale.

Roulements à aiguilles

Le roulement à aiguilles est un type spécial de roulements à rouleaux qui a des rouleaux cylindriques qui ressemblent à des aiguilles en raison de leur petit diamètre.

Normalement, la longueur des rouleaux dans les roulements à rouleaux est seulement légèrement plus que son diamètre. Lorsqu’il s’agit de roulements à aiguilles, la longueur des rouleaux dépasse leur diamètre d’au moins quatre fois.

Comme les roulements à aiguilles ont un diamètre plus petit, plus de rouleaux peuvent être logés dans le même espace, ce qui augmente la surface de contact avec les pistes. Ainsi, ils sont capables de supporter des charges élevées. Leur petite taille peut également s’avérer utile dans les applications où l’espace est limité, car ils nécessitent des jeux plus petits entre l’axe et le logement.

Les roulements à aiguilles sont utilisés dans les composants automobiles tels que les pivots de transmission et de culbuteur. Ils sont également utilisés dans les compresseurs et les pompes.

Quand utiliser des roulements à rouleaux?

Les roulements à rouleaux sont l’alternative la plus courante aux roulements à billes. Déterminons donc quelles conditions de travail sont les mieux adaptées à ce type de roulement.

1. Les charges lourdes. Les roulements à rouleaux offrent une surface de contact considérablement plus grande, répartissant la charge de manière plus homogène. Ainsi, ils sont moins enclins à la défaillance et peuvent supporter des forces élevées.
2. Vitesses inférieures. Là encore, il s’agit de la surface de contact. Il y a plus de friction, ce qui peut entraîner une génération de température plus élevée et une usure plus rapide.

Paliers lisses

Un palier lisse est le type de palier le plus simple. Il est généralement constitué uniquement d’une surface d’appui. Il n’y a pas d’éléments roulants.

Le palier est essentiellement un manchon monté sur l’arbre et s’insère dans l’alésage. Les paliers lisses sont peu coûteux, compacts et légers. Ils ont une capacité de charge élevée.

Les paliers lisses sont utilisés pour des mouvements de rotation, de glissement, de va-et-vient ou d’oscillation. Le palier reste fixe tandis que le tourillon glisse sur la surface intérieure du palier. Pour faciliter un mouvement fluide, on choisit des paires de matériaux à faible coefficient de frottement. Différents types d’alliages de cuivre, par exemple, sont assez courants.

Ce roulement peut s’accommoder d’un certain désalignement, de mouvements multidirectionnels, et convient aux charges statiques comme aux charges dynamiques. Il est largement utilisé dans les applications de l’agriculture, de l’automobile, de la marine et de l’industrie de la construction.

L’axe de piston qui relie le piston à la bielle dans les moteurs diesel est relié par un palier lisse.

Le roulement sphérique est également un palier lisse, bien qu’il soit constitué de 2 parties – la bague intérieure et la bague extérieure. Bien qu’il ressemble d’emblée aux roulements à billes et à rouleaux, il ne possède pas d’éléments roulants entre les deux bagues.

Roulements à fluide

Le roulement à fluide est un type particulier de roulement qui repose sur un gaz ou un liquide sous pression pour supporter la charge et éliminer le frottement. Ces roulements sont utilisés pour remplacer les roulements métalliques dans des applications où ils auraient une durée de vie courte en plus de niveaux de bruit et de vibrations élevés.

Ils sont également de plus en plus utilisés pour réduire les coûts. Les paliers fluides sont utilisés dans les machines qui travaillent à des vitesses et des charges élevées. Si les coûts initiaux sont plus élevés, la durée de vie plus longue dans des conditions difficiles compense à plus long terme.

Lorsque la machine fonctionne, il n’y a aucun contact entre les deux éléments (sauf pendant le démarrage et l’arrêt) et il est donc possible d’obtenir une usure quasi nulle avec les paliers fluides.

Les paliers fluides sont classés en deux types : les paliers hydrostatiques et les paliers hydrodynamiques.

Paliers hydrostatiques

Dans ce type, un fluide sous pression externe est forcé entre deux éléments qui sont en mouvement relatif. Le fluide sous pression forme un coin entre les pièces mobiles et les maintient à distance. La couche de fluide peut être très mince mais tant qu’il n’y a pas de contact direct, il n’y aura pas d’usure.

Le fluide est mis en circulation au moyen d’une pompe. Le diamètre de l’orifice de sortie peut être réglable pour que le fluide soit toujours sous pression, quelles que soient la vitesse et la charge de l’arbre. Ainsi, un contrôle précis de l’écart est possible.

Roulements hydrodynamiques

Ce type de roulement utilise le mouvement du tourillon pour forcer le fluide entre l’arbre et le logement. Le mouvement du tourillon aspire le fluide lubrifiant entre les pièces mobiles, créant ainsi un coin constant.

Cela signifie cependant que lors des démarrages-arrêts ainsi qu’aux faibles charges et vitesses, la formation du coin peut ne pas être assez bonne pour empêcher l’usure. Ce n’est qu’aux vitesses conçues que le système fonctionnera exactement comme il le faut.

Roulements magnétiques

Les roulements magnétiques utilisent le concept de lévitation magnétique pour maintenir l’arbre en l’air. Comme il n’y a pas de contact physique, les paliers magnétiques sont des paliers à usure zéro. Il n’y a également aucune limitation sur la quantité maximale de vitesse relative qu’il peut gérer.

Les paliers magnétiques peuvent également s’adapter à certaines irrégularités dans la conception de l’arbre, car la position de l’arbre est automatiquement ajustée en fonction de son centre de masse. Ainsi, il peut être décalé d’un côté mais fonctionnera de manière tout aussi satisfaisante.

Ils sont globalement classés en deux types : Les paliers magnétiques actifs et passifs.

Les paliers magnétiques actifs

Les paliers magnétiques actifs utilisent des électroaimants autour de l’arbre pour maintenir sa position. Si un changement de position est capté par des capteurs, le système ajuste la quantité de courant qui lui est fourni et ramène le rotor à sa position initiale.

Roulement magnétique passif

Les roulements magnétiques passifs utilisent des aimants permanents pour maintenir un champ magnétique autour de l’arbre. Cela signifie qu’aucun apport de puissance n’est nécessaire. Le système est cependant difficile à concevoir en raison des limitations, car cette technologie n’en est qu’à ses débuts.

Dans de nombreux cas, les deux types de paliers magnétiques peuvent être utilisés en tandem, où les aimants permanents gèrent la charge statique tandis que les électroaimants sont utilisés pour maintenir la position avec un haut degré de précision.