Bearing Conception troisième année GM - mise à jour 12/2015

(1)

Les roulements

Bearing

Conception troisième année GM - mise à jour 12/2015

(2)

Bague extérieure Bague intérieure

Eléments roulants

Joint

Joint-- déflecteur déflecteur Cage

Cage

Les types de roulements...

Butée à bille

Rotule

Roul. à billes

Aiguilles

(3)

Choix d ’un type de roulement

Direction des efforts

Différente position du centre de

poussée

Intensité des efforts géométrie et nombre d ’éléments roulants différents

Choix de la géométrie et de la forme des éléments roulants

Billes

Billes 2 rangées 2 rangées Rouleaux Rouleaux

Aiguilles

(4)

Roulement standard prix d ’une baguette

TGV : 10 million de KM Voiture 300 000 km Renault Vel Satis

150 roulements

Evolution vers du multi-Fonction capteur de vitesse

Roulement de tourelle tunelier RMB : roulement de 1,5 mm de diamètre Timken : le N° 1

SNR : spécialisé automobile

FAG, SKF, INA, KOYO

(5)

Co:Charge Statique de base (kN) C: Charge dynamique

de base (kN) Désignation Normalisée des roulements Caractéristiques

6204

d/5

Charge statique donnant Une pression de contact de 4200 Mpa sur

l ’élément le plus chargé

Charge fixe purement radiale qui permet une durée de vie de 1

million de tours: L

10

Conditions de fonctionnement

« normales »

Niveau de charge adapté (Co , C…) Précision d ’exécution des appuis Jeu de fonctionnement proche de zéro Défaut d ’alignement minimal entre les 2 bagues

Vitesse inférieure à V Limite mais suffisante Température de fonctionnement : 20 °< T < 120°

Lubrification efficace

Pas de pollution

(6)

Etude de la durée de vie

Essais 1 On détruit 100 roulements avec une charge radiale donnée (destruction⇔ déformation permanente = D _bille /10 000)

Durée de vie :L en million de tours Nbr de

roulements

Charge radiale F _R(1)

L L ₁₀ ₁₀

1 1 Mtour Mtour

90 % 90 %

F _R(2) F _R(3) 17

roulements

15 Mtours

L F

r

0 200 400 600 800 1000 1200

0 2000 4000 6000 8000

Série1

Effort radial Durée de vie en

M de tours

Roulement à bille

Roulement à bille φφ 25 25

(7)

Ln(Fr) da N

Ln (L) Million de tours 1

0 10 100

1 10 100

1 C

C ; charge dynamique de base donnée pour 1 Mtrs

L F

r

Cte

Fr L c

Cte L Fr

c

L Cte Fr c

/

) 1

(

1 ) ln(

. )

ln(

ln 1 ln

ln ln

= −

=

− =

−

• n= 3 billes

• n= 10/3 rouleaux n

P L C 



 



= 

L : en million de tours

C : charge dynamique de base (pour 1 million de tour) P : charge équivalente sur le roulement

(association de Fa et Fr)

(8)

Recherche d ’une charge équivalente

Essais

Essais réalisés réalisés avec Fr avec Fr

Cas réel : Fa et Fr Cas réel : Fa et Fr

Cherchons une charge radiale Cherchons une charge radiale

équivalente en durée de vie équivalente en durée de vie

Fr Fr Fa

Fa

? L millions de tours

? L millions de tours P

P

L millions de tours L millions de tours

Fa Fr

tg β = e

Si Fa/Fr > e : P = X ₁ Fr + Y ₁ Fa Si Fa/Fr ≤ e : P = X ₂ Fr + Y ₂ Fa

ici P=Fr β

Recherche de Fr en fonction de Fa pour avoir une équi-durée

Attention : X, Y et e sont des caractéristiques du roulement

(9)

L, Dmini, Fr ,Fa Connus

P L

C donc

Fr X P

n . .

1 =

=

désignation d D C C

0

600/32 32 58 22,4 11,2 620/32 32 65 30,5 14,6 630/32 32 75 41,5 19,4

6307 35 80 33,5 19,1

Fa/Co e Y X

0.014 0.19 2.3 0.56 0.028 0.22 1.99 0.56 0.056 0.26 1.71 0.56 0.084 0.28 1.55 0.56 0.11 0.3 1.45 0.56 0.17 0.34 1.31 0.56 0.28 0.38 1.15 0.56 0.42 0.42 1.04 0.56 0.56 0.44 1 0.56

Méthode appliquée à un rlt à billes 1 rangé contact radial

exemple de recherche d ’un roulement :

Fa ₁ = 2275 N Fr ₁ = 8100 N

Fr ₂ =14072 N

N = 200 trs/min

Durée de vie : 10 000 h = 120 M trs

Calcul en rdm : D _mini =29 mm

(10)

F

a

/C

0

X Y e

0.014 2,3 0,19

0.056 1,71 0,26

0.11 0.56 1,45 0,3

0.28 1,15 0,38

0.56 1,00 0,44

désignation d D C C 0

600/32 32 58 22,4 11,2 620/32 32 65 30,5 14,6 630/32 32 75 41,5 19,4

6307 35 80 33,5 19,1

roulement à billes à gorge profonde Choix

Choix : Fa/Fr ≤ e

Si Fa/Fr > e : P = X Fr + Y Fa Si Fa/Fr ≤ e : P = Fr

donc : P = Fr

N C

P L C

3 3 / 1

10 . 40

.

≈

=

11 , 0

0 C =

Fa donc : e = 0,3

28 ,

= 0 Fr

Fa _OK _OK

Vérification : Vérification :

Cas d ’une charge et/ou d ’une vitesse de rotation variable

exemple exemple : : un arbre fait

5.10 ⁶ tours avec P ₁ = 1000 N puis 20.10 ⁶ tours avec P ₂ = 5000N

La fraction de durée de vie utilisée sous P ₁ est : a ₁ =5/L ₁ La fraction de durée de vie utilisée sous P _i est : a _i =n _i /L _i

5 5 n n _ii P

1 000

L L P _i

L1

L1 Li Li

durée de vie des roulements = durée de vie

du système

= 1

∑

i i

L

n

(11)

On cherche une charge équivalente : P _moy donnant la même durée de vie L ₁₀

= 1

∑

i i

L

n ⁿ

i

i P

L C

or 





 

=  :

n

P moy

L C  





 



= 

Pour la charge équivalente moyenne :

n i n i

moy L

n P P

1 .

 





 



=  ∑

n i i

n n P

C ⁼ ∑ .

Fiabilité

L 10

L _s

F: Probabilité F: Probabilité

Fiabilité Fiabilité 1

1 0,9 0,5 0,25 1

3.52 5.6

90 % des roulements tiennent L ₁₀ 50 % des roulements tiennent 3.52.L ₁₀ 25% des roulements tiennent 5.6.L ₁₀ Recherche d ’une fiabilité supérieure à 90%

5 , 1

1

10 9 . 0

9 . 0

5 , 1

10

 

 



= 

= ^







 





 



 



Ln LnF L

L e F

s

L Ln L

^s

F = 0,9 pour L

₁₀

; F= 0.95 pour L

₅

(12)

Exemple

La garantie du produit est de 1 an pour une durée de vie de 10 ans Soit Ls/L10 = O.1 DONC

9967 .

5 0

.

) 1

1 . 0 ( 9 . 0

ln =

= e F

La fiabilité du montage sera de 99.67 %

En dessous de 2,5% de la durée de vie L10, Il n ’existe aucun risque de défaillance

Rappel / Rappel / Rappel / Rappel

Durée de vie : L= 2

90 % des roulements tiennent 2 000 000 tours

Durée de vie : L ₁₀ = 2 M trs

(13)

Le LAMINAGE

Problème de roulage

Le ROULAGE

Cas d ’une charge tournant par rapport à la bague

intérieure

La bague intérieure est serrée : pas de

détérioration

Destruction de la bague

intérieure

(14)

Charge tournant par rapport à la bague intérieure

Le jeu entraîne du Roulage, de la Corrosion sous

pression ..

Pas de mouveme

nt.

Le serrage élimine tout mouvement relatif

Cas d ’une charge tournant par rapport à la

bague extérieure

Destruction de la bague extérieure

La bague extérieure est

serrée : pas de détérioration

(15)

Charge tournant par rapport à la bague extérieure

Le jeu entraîne du Roulage, de la Corrosion sous

pression.

Pas de mouvement.

Le serrage élimine tout mouvement relatif

Exemple de montage de roulement

F F

Bague tournante/charge Bague tournante/charge Bague fixe/charge

Bague fixe/charge

(16)

Exemple de montage de roulement Bague tournante/charge

Bague fixe/charge F

F

La bague mobile par rapport à la charge est

montée serrée

(17)

Choix du serrage de bague : réducteur à vis sans fin

Bagues intérieures serrées

Règles de positionnement

des arrêts axiaux

(18)

Rôle des arrêts axiaux

Empêcher le mouvement axial d ’une bague

(transmettre les efforts axiaux)

Linéaire Rotule

Arrêts axiaux des roulements

Collage Collage

Coût Résistance

entretoise entretoise Epaulement

Epaulement

Anneau Anneau élastique élastique

Ecrou à Ecrou à encoche encoche Chapeau Chapeau Anneau

Anneau

fretté

(19)

Arrêts axiaux des roulements: exemples

1 : Bloquer tous les efforts axiaux

2 : Arrêter les bagues montées serrées sur un obstacle

3 : Bloquer l ’effort axial le plus tôt possible

4 : Equilibrer les durées de vie

5 : Tenir compte des dilatations

Flambage

(20)

Montage 4-2 isostatique : Serrage sur l ’intérieur

a a _chapeau _chapeau

Ja Ja

a

a _roulement _roulement a

a _corps _corps

Montage 4-2 isostatique

Serrage sur l ’extérieur

(21)

Montage simplifié « ECO » Serrage sur l ’intérieur Ja

Ja a a _chapeau _chapeau

a a _corps _corps

a a _arbre _arbre a

a _roul _roul a a _roul _roul

Montage simplifié « ECO » Serrage sur l ’extérieur

Zone dégagée : seuls

les appuis du

roulement sont précis

Jeu

(22)

Arrêts axiaux :anneau élastique

Usinage simple ( rainure ) Usinage simple ( rainure ) Nécessité d

Nécessité d ’avoir du jeu axial ( 0,3 mini) ’avoir du jeu axial ( 0,3 mini) Jeu axial

Jeu axial Serrage Serrage

Libre Libre

Serrage Serrage Libre Libre

Arrondis

Le congé du roulement doit être > congé de

l’épaulement

(23)

Défaut de position radiale

Déformation

Défaut de position axiale Défaut

d ’usinage

Désalignement

!!!

Roulement à rotule sur bille : 4 Roulement à rotule sur bille : 4°°

Roulement à rotule sur rouleaux sphérique : 4 Roulement à rotule sur rouleaux sphérique : 4 °°

Roulement à rotule à deux rangée de rouleaux : 0,5 Roulement à rotule à deux rangée de rouleaux : 0,5°°

Butée à rotule sur rouleaux : 3 Butée à rotule sur rouleaux : 3 °°

Roulement à bille (suivant jeu axial) : 8 à 15 Roulement à bille (suivant jeu axial) : 8 à 15 ’’

roulement à rouleaux radial : 2 à 4 ‘ roulement à rouleaux radial : 2 à 4 ‘ roulement à rouleaux à contact oblique : 2 ‘ roulement à rouleaux à contact oblique : 2 ‘

Désalignement

(24)

0.05° 0.1° 0.15°

en °

Influence du Désalignement sur la durée de vie de la liaison

Montage des roulements

L ’effort de poussée ne doit en aucun cas passer par les

éléments roulants Appui

•Possibilité de chauffer une bague jusqu’à 110°

•Possibilité de refroidir l ’arbre (-170°)

Dilatation

(25)

Prévoir le

démontage des roulements

Extracteur

Aiguilles Aiguilles

700 700

Butée graissée Butée graissée

1800 1800

Rouleaux graissés Rouleaux graissés

2200 2200

Butée huilée Butée huilée

2500 2500

Billes graissées Billes graissées

3500 3500

Rouleaux huilés Rouleaux huilés

3500 3500

Billes huilées Billes huilées

10 000

10 000 ^{Trs /min} ^{Trs /min} Diamètre moyen : 100 mm

Type d ’étanchéité

• Par joint frottant : V

_max

= 2/3 V

_max

• Par chicane (déflecteur) : V

_max

inchangé

• Lors de lubrification à huile voir la limite des joints à lèvres

Vitesse de rotation

(26)

Groupe de roulement : Jeu interne (Norme Iso 5753)

Jeu interne Tolérance sur Bague intérieure

Tolérance sur Bague extérieure

Groupe de roulement : Jeu interne (Norme Iso 5753)

TYPE ^Groupe Applications

Jeu normal N Charge modérées , serrage normal, température peu variable

Jeu

augmenté

3 Serrage important de l'une des 2 bagues, Défaut d'alignement ,

Forte charge axiale (roulement à billes C.R. ) Fortes températures

4 5

Jeu réduit 2 Guidage très précis de la liaison , dans le but

d'annuler le jeu interne

(27)

Jeu radial interne

Tolérances dimensionnelle des Roulements : classe normale

Doc SNR

Haute précision :

iso 6, 5, 4, 2

(28)

Calcul du jeu radial résiduel

Portée Taux de

répercussion Bague

intérieure

Arbre plein ti = 0.8

Arbre creux ti =0.6

Bague extérieure

Boitier Acier ou fonte te=0.7

Boitier alliage léger te=0.5

roulement moyen

T - alesage moyen

T exterieur moyen

serrage :

S

arbre moyen T

- roulement moyen

T interieur moyen

serrage :

S :

e i

0 I I

I I

S t S t J Jm a

On _i _i _e _e

=

= +

+

=

Exemple : jeu radial résiduel Roulement SNR 6305 (25-62-17) avec ajustement M6 sur alésage et n6 sur l’arbre .

Alésage arbre Bague exter

Bague inter

Jeu radial roulement

qualité M6 n6 Gr 3

Mini -24 +15 -13 -10 13

Maxi -5 +28 0 0 28

Moyen -14.5 +21.5 -6.5 -5 20.5

Avec:

Ti = 0.8 (arbre plein )

et Te = 0.7 (logement en

fonte )

3 . 6 8

* 7 . 0 5 . 26

* 8 . 0 5 .

20 − − = −

rm =

J Serrage trop

important

Si =Ecart moy Bague inter – Ecart moy Arbre

Se =Ecart moy Alesage – Ecart moy Bague exter

(29)

Détérioration des roulements

Fatigue Fatigue

Détérioration des roulements

Fatigue

Fatigue : : Concentration de contrainte Ecaillage superficiel Fatigue en sous couche Mauvaise utilisation

Mauvaise utilisation : : Echauffement Humidité Impureté Manutention Montage incorrect

Condition de fonctionnement

Lubrification

(30)

Dilatation

Serrage sur l

Serrage sur l ’arbre : ’arbre : φφ 20 20 m6 m6 Arbre

Arbre

21

20

⁺₊8

φ φ ²⁰

⁰⁻¹⁰

Jeu mini : Jeu mini : --31 31 µµm m Jeu maxi :

Jeu maxi : --8 8 µµm m

Calcul de dilatation Calcul de dilatation

)

( ₁ ₀

0 1 d T T

d = λ −

λλ=17 .10 =17 .10 ^--6 ⁶ //°°C C T

T ₀ ₀ = 20 = 20°°C C 0 10 20 30 40

0 50 100 150

°°C C µµm m

Calcul de l ’effort engendrée par une dilatation

Dilatation

Arbre D= 20, L=100 bloqué à ses deux extrémités

σ= ε.E

Pour une augmentation de température de 50°

∆L _{si libre} =L ₀ .λ.∆θ ∆L _{si libre} =100.17.10 ^-6 .50=0,085mm ε= ∆L _théorique /L ₀

Poutre comprimée de 0,085mm

σ= 0,085.210000/100=178,5 N/mm² F compression = σ.S

F compression = 178,5.π.20²/4 =56 000N

(31)

Montage d ’un Circlips

Jeu Nécessaire

Bearing Conception troisième année GM - mise à jour 12/2015

Les roulements

Bearing

Bague extérieure Bague intérieure

Eléments roulants

Joint

Joint-- déflecteur déflecteur Cage

Cage

Les types de roulements...

Butée à bille

Rotule

Roul. à billes

Aiguilles

Choix d ’un type de roulement

Direction des efforts

Différente position du centre de

poussée

Intensité des efforts géométrie et nombre d ’éléments roulants différents

Choix de la géométrie et de la forme des éléments roulants

Billes

Billes 2 rangées 2 rangées Rouleaux Rouleaux

Aiguilles

Aiguilles

Roulement standard prix d ’une baguette

TGV : 10 million de KM Voiture 300 000 km Renault Vel Satis

150 roulements

Evolution vers du multi-Fonction capteur de vitesse

Roulement de tourelle tunelier RMB : roulement de 1,5 mm de diamètre Timken : le N° 1

SNR : spécialisé automobile

FAG, SKF, INA, KOYO

Co:Charge Statique de base (kN) C: Charge dynamique

de base (kN) Désignation Normalisée des roulements Caractéristiques

6204

d/5

Charge statique donnant Une pression de contact de 4200 Mpa sur

l ’élément le plus chargé

Charge fixe purement radiale qui permet une durée de vie de 1

million de tours: L

Conditions de fonctionnement

« normales »

Niveau de charge adapté (Co , C…) Précision d ’exécution des appuis Jeu de fonctionnement proche de zéro Défaut d ’alignement minimal entre les 2 bagues

Vitesse inférieure à V Limite mais suffisante Température de fonctionnement : 20 °< T < 120°

Lubrification efficace

Pas de pollution

Etude de la durée de vie

Essais 1 On détruit 100 roulements avec une charge radiale donnée (destruction⇔ déformation permanente = D bille /10 000)

Durée de vie :L en million de tours Nbr de

roulements

Charge radiale F R(1)

L L 10 10

1 1 Mtour Mtour

90 % 90 %

F R(2) F R(3) 17

roulements

15 Mtours

L F

r

0 200 400 600 800 1000 1200

0 2000 4000 6000 8000

Série1

Effort radial Durée de vie en

M de tours

Roulement à bille

Roulement à bille φφ 25 25

Ln(Fr) da N

Ln (L) Million de tours 1

0 10 100

1 10 100

1 C

C ; charge dynamique de base donnée pour 1 Mtrs

L F

r

Cte

Fr L c

Cte L Fr

c

L Cte Fr c

/

) 1

(

Essais 1 On détruit 100 roulements avec une charge radiale donnée (destruction⇔ déformation permanente = D _bille /10 000)

Charge radiale F _R(1)

L L ₁₀ ₁₀

F _R(2) F _R(3) 17

Si Fa/Fr > e : P = X ₁ Fr + Y ₁ Fa Si Fa/Fr ≤ e : P = X ₂ Fr + Y ₂ Fa

Fa ₁ = 2275 N Fr ₁ = 8100 N

Fr ₂ =14072 N

Calcul en rdm : D _mini =29 mm