Etude du comportement vibratoire des roulements

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Remerciements

Touie la gratimde reuieTTi à Dieu qui nous a doimé la fiorce de réaliser ce trcwail

Nous tenons à remercier chaleuTeusement :

Notre encadreuT : Mr FENINECHE Hocine pouT ces conseils et son soutien

Nos enseigncmts qui nous ont accompagnés duTanl tous

ie CUTSUS UriversitaiTe

Mr BOUNNECHE Samir : chef de départemeni de gérie mécanique

PouT leuTs pc[tiences, leuTs disporibïliiés et leurs compréhensions

Et à touie persoTme agant participé de près ou de loin à la réalisation de ce trcwail.

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Introducti on Générale

Sommaire

Chapitre I : Généralité sur les roulements

1.1.Introduction I.2.Définition

I.3.Types des roulements 1.3.1. Les roulements à billes

1.3.1.1. Roulement rigide à une seule rangée de billes (contact radial) : ... „„ ... 5

1.3.1.2. Roulement à contact oblique à une seule rangée de billes 1.3.1.3 . Roulement à contact oblique su deux rangées de billes 1.3.1.4. Roulement à rotule su deux rangées de billes

1.3.1.5. Roulements à billes à quatre points de contact 1.3.2. Roulements à rouleaux

1.3.2.1. Roulements à une seule rangée de rouleaux cylindriques 1.3.2.2. Roulements à rotule sur deux rangées de rouleaux 1.3.2.3. Roulements à rouleaux coniques

1.3.3. Butée

1.3.3.1. Butée à billes

1.3.3.2 Butée à rouleaux cylindriques 1.3.4. Roulement à aiguilles

1.3.5. Roulements à rouleaux sphériques 1.4. Fabrication des roulements

1.4.1. Première étape (trouver la bonne matière première) 1.4.2. Seconde étape (fabrication des éléments des roulements)

1.4.2.1. Fabrication des bagues 1.4.3. Fabrication des éléments roulamts

1.4.3.1. Fabrication des billes

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1.4.3.2. Fabrication des rouleaux coniques 1.4.4. Fabrication des cages

1.4.5. Assemblage final

1.5. Montage / Démontage des roulements 1.5.1. Montage

1.5.2. Démontage

1.6. Les défauts de roulements 1.6.1. Usue

1.6.2. Dentelue 1.6.3. Bawre 1.6.4. Ecaillage 1.6.5. Corrosion 1.6.6. Cassure

1.6.7. Choc électrique

1.7. Les fféquences caractéristiques des roulements 1.8. Signaux des roulements

Conclusion

Chapitre 11 : Modélisation des roulements

Introduction

11. 1 . Calcul des Roulements

11.1.1. Données théoriques relatives aux roulements 11. 1.1.1. L'angle de contact Œ

11. 1.1.2. Paramètre de chargement € 11. 1.1.3. Angle de chargement P

11. 1.1.4. Angle maximal de chargement V m 11. 1.1.5. Efforts axial et radial appliqués 11. 1.1.6. Charge maximale

23 23 24 25 25 27 11. 1.1.7. Déplacement maximal, déflexion axiale, déflexion radiale ... 27

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11. 1.1.8. Expression de la charge 0{

11.1.2. Effort de chargement statique

11.1.2.1. L'effort de choc pou un défaut su la bague extérieue 11.1.2.2. L'effort de choc pou un défaut su la bague intérieue 11.1.2.3. L'effort de choc pou un défaut su la bille

11.1.3 . Effort de choc dynamique 11.1.4. Effort de choc total 11.2. Modélisation

11.2.1. Modèle Dynamique

11.2.1.1. Fomulation de problème

11.2.1.2. Réponse vibratoire du roulement sms défaut 11.2.1.3 . Réponse vibratoire due au défaut de bague

11.2.1.3 .1. Réponse vibratoire due au défaut de bague extérieure 11.2.1.3 .2. Réponse vibratoire due au défaut de bague intérieue 11.2.1.4. Réponse vibratoire due au défaut dans l'élément roulant 11.2.2. Modèle du traitement de signal

11.2.2.1. Modèle d'un défaut de roulement 11.2.3. Modèle d'élément firie

Conclusion

Chapitre 111 : Partie Expérimentale

Introduction

111.1. Simulation analytique de défaut 111.2 Simulation numérique

111.2.1 0rganigramme

111.3. Modèle simulé de roulement avec défaut 111.3 .1. Rçprésentation temporelle

111.3.2. Représentation fféquentielle 111.4. Modèle simulé avec défaut et bruit

111.4.1. Représentation temporelle

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111.4.2. Représentation fi.équentielle 111.5. Modèle réel

111.5.1. Signaux de roulement

111.5.2. Présentation de banc d'essais 111.5.3. Modèle réel sans défaut

111.5.3 .1. Représentation temporelle 111.5.3.2. Représentation fféquentielle 111.5.4. Modèle réel avec défaut

111.5.4.1. Représentation temporelle 111. 5.4.2. Représentation fi.équentielle 111.6. Interprétation des résultats

Conclusion

CONCLUSION GENERALE

Bibliographie Amexes

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I I I I I I I I I

Liste des figures

Figure 1. 1 : Composante d`un roulement

Figure 1. 2: Roulement rigide à billes, à une rangée

Figure 1. 3: Roulement à contact oblique à une seule rangée de billes Figure 1. 4:Roulement à contact oblique sur deux rangées de billes FigLire 1. 5: Roulement à rotule su deux rangées de billes

Figure 1. 6:Roulements à billes à quatre points de contact

Figure 1. 7: Roulements à une seule rangée de rouleaux cylindriques Figure 1. 8:Roulements à rotule sur deux rangées de rouleaux Figure 1. 9:Roulements à rouleaux coniques

Figure 1.10: Butée à billes

Figure 1. 1 1 : Butée à rouleaux cylindriques Figure 1.12: Roulement à aiguilles

Figure 1.13: Roulement à rouleaux sphériques Figure 1. 14: montage d'un roulement

Figure 1. 15: Démontage d'un roulement par injection d'huile Figure 1. 16: Défaut de roulement -usure

Figure 1. 17: Défaut de roulement -dentelue Figure 1. 18: Défaut de roulement -bavure Figure 1. 19: Défaut de roulement -écaillage Figure 1. 20: Défaut de roulement - conosion Figure 1. 21 : Défaut de roulement - cassure

Figure 1. 22: Défaut de roulement -choc électrique

Figure 1. 23: Signal temporel sans et avec défaut d'une bague intérieu Figure 11. 1 :chargement et paramétrage

Figure 11. 2: le déplacement rigide de la bague intérieu 81 Figure 11. 3 : L'angle de chargement P

Figure 11. 4: Synoptique de la distribution de la charge Figure 11. 5:Défaut sur la bague extérieue

Figure 11. 6: Défaut su la bague intérieue Figure 11. 7: Défaut su la bille

Figure 11. 8: Bille à l'entrée du défaut Position initiale

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Figure 11. 9: La bille bascule, Position finale

Figure 11.10 : Efforts appliqués su la bille à l'instant du choc Figure 11. 11 : Effort (Total)

Figure 11. 12: géométrie du roulement avec un défaut dans la bague extérieure ... 39

Figure 11. 13: Géométrie d'un roulement avec un défaut dans la bague intérieure ... 40

Figure 11. 14: Iæ modèle du roulement suivant une ligne radiale Figure 111. 1 : Signal avec défaut sans bruit Figure 111. 2: Spectre pour signal modélisé avec défaut sans bruit Figure 111. 3: Signal temporel d'un défaut avec bruit Figure 111. 4: Spectre de signal avec défaut et bruit Figure 111. 5: Organigramme pou la simulation Figure 111. 6: Signal temporel avec défaut de 0.007" de daimètre Figure 111. 7: Signal temporel avec défaut de 0.014" de daimètre ... Figure 111. 8: Signal temporel avec défaut de 0.0.21 " de daimètre ... Figure 111. 9: Signal temporel avec défaut de 0.028" de daimètre ... Figure 111. 10: le spectre de signal avec défaut 0,007" de daimètre ... Figure 111.11 : le spectre de signal avec défaut de 0.014" de daimètre. Figure 111.12: le spectre de signal avec défaut de 0.021 " de daimètre Figure 111.13: le spectre de signal avec défaut de 0.028" de daimètre 44 47 48 49 50 51 53 53 54 54 55 56 57 58 Figure 111. 14: le signal temporel avec défaut de 0.007" de daimètre avec bruit ... 59

Figure 111.15: le signal temporel avec défaut de 0.014" de daimètre avec bruit .,... 60

Figure 111. 16: le signal temporel avec défaut de 0.021 " de daimètre avec bruit ... 60

Figure 111.17: le signaL temporel avec défaut de 0.028" de daimètre avec bruit ... 61

Figure 111. 18: le spectre de signal avec défaut de 0.007" de daimètre avec bruit ...„ ... 62

Figure 111. 19: le spectre de signal avec défaut de 0.014" de daimètre avec bruit ... 63

Figure 111. 20: le spectre de signal avec défaut de 0.021 " de daimètre avec bruit ... 64

Figure 111. 21 : 1e spectre de signal avec défaut de 0.028" de daimètre avec bruit ... 65 Figure 111. 22: Banc d'essai de roulements

Figure 111. 23: Signal réel temporel sans défaut Figure 111. 24: Spectre de signal réel sans défaut

Figure 111. 25: Signal réel temporel avec défaut de 0.007" de daimètre Figure 111. 26: Signal réel temporel avec défaut de 0.014" de daimètre Figure 111. 27 : Signal réel temporel avec défaut de 0.021 " de daimètre Figure 111. 28: Signal réel temporel avec défaut de 0.028" de daimètre

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Figure 111. 29: Le spectre de signal réel avec défaut de 0.007" de daimètre ... 72

Figure 111. 31 : Le spectre de signal réel avec défaut de 0.021 " de daimètre ...,... 74

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Liste des tableaux

Tableau 11. 1 : Variation du paramètre de chargement E en fonction de Fr/FŒta" ... 24

Tableau 111. 1 : les pics dominant (AD 0.007") Tableau 111. 2: les pics dominant (AD 0.041 ") Tableau 111. 3: 1es pics dominant (AD 0.021 ") Tableau 111. 4: les pics dominant (AD 0.028") 55 56 57 58 Tableau 111. 5: les pics dominant avec défaut de 0.007" de daimètre avec bruit ... 62

Tableau 111. 6: les pics dominant avec défaut de 0.014" de daimètre avec bruit ... 63

Tableau 111. 7: les pics dominant avec défaut de 0.021 " de daimètre avec bruit ... 64

Tableau 111. 8: les pics dominant avec défaut de 0.028" de daimètre avec bruit ... 65 Tableau 111. 9: Fréquences caractéristiques pou les défauts de roulement avec les différents couples résistant

Tableau 111.10: les pics dominant (SD)

Tableau 111. 11 : les pics dominant avec défaut de 0.007" de daimètre ...

Tableau 111.12: les pics dominant avec défaut de 0.014" de daimètre...„ ...

Tableau 111. 13: les pics dominant avec défaut de 0.021 "de daimètre ...

Tableau 111. 14: les pics dominant avec défaut de 0.028" de daimètre

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Œ L'angle de contact

s Paramètre de chargement

Nomenclature

P Angledechargement

p lamasse spécifique.

81 bague intérieu BE bague extérieu

ô Déplacement rigide de Bl par rapport à la BE, fonction de Dirac.

ôa La déflection axiale ôr La déflection radiale ôi Le rapprochement

Nb nombre d'éléments roulants

U m Angle maximal de chargement

K,t constant dépend de la nature du contact T Énergie cinétique

U Énergie potentielle Fc[ Force axial

Fr Force radiale

FBE Effort de choc su bague extérieu FB, Effort de choc su la bague intérieu Fb Effort de choc su la bille

/a ,/r intégrales de Sjovâll

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0 La charge applique su les roulements Db Diamètre des billes

E Le module d'élasticité.

/ Momentd'inertie C Centrede gravité

û) Les fi.équences naturelles

& L'accélération angulaire Fs Effort statique

FD Effort Dynamique F7` Effort total

ra Rayon de la fibre neutre.

qù q[/ Les cordonnées généralisées des bagues et extérieue du f é" mode Où 0,/ Forces généralisées des bagues extérieue et intérieue du f é"" mode M£, MÏ/ Les masses généralisées

P( ¢ , t ) Est la force excitatrice

P Est la force de contact appliqué par l'élément roulant sur la bague Cd Est le jeu diamétral.

aL)c Fréquence de la cage

oz,i Fréquence de la bague intérieue aJz,e Fréquence de la bague extérieue

aJcr Fréquence de rotation de l'élément roulant o s Fréquence de rotation de l'arbre

d Diamètre de l'élément roulant (bille ou rouleau)

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D Diamètre moyen passant par le centre de l'élément roulant.

Z Nombre des éléments roulants

x(t) Signal original du roulement avec un défaut xd (t) La série d'impulsions produit par défaut /d Est la fl.équence caractéristique du défaut.

#ch (t) Est l'effet de la modulation causé par la distribution non unifome de la charge et la variation cyclique de la trajectoire de transmission entre le lieu du choc et le transfomateur

/r Fréquence de rotation de l'arbre.

/cr Fréquence de l'élément routant /c Fréquence de la cage.

xro (t) Est la vibration introduite par le roulement xm(t) Est la vibration introduite par la machine x(Æ) Signal d'un roulement avec défaut

/i, /2 sont des ftéquences de résonance /o Fréquence de défaut

T temps d'échantillomage.

/s Fréquence d'échantillonnage.

b (t) Bruit blanc gaussien

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Introduction Générale

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Introduction Générale

Les roulements ont une duée de vie limitée pou l'utilisation, cette duée dans la plupart des cas est beaucoup plus courte que celle de la duée de vie prévue pou le constructeu et qui est calculée en fonction des charge statiques et dynamiques sous plusieus régimes de fonctionnement. Par conséquent les roulements sont sujet des défaillances inattendues ce qui entraîne la dégradation de l'état de fonctionnement d'une machine et causent parfois des catastrophes.

Dans ce contexte, le diagnostic des défauts de roulement par analyse vibratoire a une large utilisation dans la maintenance. L'analyse et le suivi dans le temps de cette signature vibratoire perinettentladétectionprécocedesdéfauts,etdedresserundiagnosticde1'étatdefonctionnement de la machine.

Cçpendant, pour une bonne maîtrise de la maintenamce des installations industrielles, les spécialistes de la maintenance font des essais expérimentaux su des bancs d'essais dans lesquels, ils étudient tous les défauts possibles. Mais cette approche est coûteuse à cause du nombre important des roulements utilisés dans les essais, ainsi que la difficulté de réaliser des bancs d'essai qui répondent aux exigences industrielles. Face à cette complexité, le diagnostic des défauts de roulement s'est orienté vers l'utilisation des signaux simulés à partir des modèles.

Ce mémoire est organisé en trois chapitres répartis comme suit :

Le lîcr chapitre comportera : une définition, les différents types des roulements, l'étude de la conception et la fabrication des roulements, avec le montage et le démontage d'un roulement, ainsi que les défauts qui peuvent se trouver dans un roulement, en fm les fféquences caractéristiques des roulements subir à des défauts.

Dans le 2fème chapitre, nous caractérisons les différents paramètres importants qui possède un roulement, et nous expliquons la modélisation des roulements , en présentant les différents modèles (vibratoire, traitement du signal, éléments finis)

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Le 3'ème chapitre, comporte une application du diagnostic des défauts des roulements su des signaux simulés, et une application expérimentale à partir des signaux des roulements réels enregistrés su un banc d'essais de l'université " /Æe CaJe 7yesfer7! JlesenJe Unz.ver§j.o;-Bc¢r}.#g Dcz/a Cenfer ", et une comparaison entre les résultats obtenues.

Enfin, nous teminons par une conclusion générale.

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Chapitre 1

Généralité sur les roulements

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Chapitre 1 Généralités sur les roulements

I.1.Introduction

Les roulements sont plus récents par rapport aux paliers lisses, l'apparition des roulements a été conditionnée par le remplacement du fitottement de glissement par celui de roulement. ns sont largement utilisés dans le domaine de la construction mécarique, en particulier dans le domaine des machines toumantes.

L'utilisation aussi de ce produit dans le domaine de l'automobile a donnée l'occasion de perfectionnement de la méthode de fabrication, ainsi que l'amélioration de sa qualité.

On appelle roulement, une pièce mécanique composé de plusieurs éléments entre deux organes, un mobile et l'autre immobile, le roulement est destiné à remplir un glissement par roulement afin de réduire le ffottement, il est défini deux critères qui sont : le type et les dimensions.

Donc, le roulement est un organe mécanique, sa fonction est de pemettre la transmission des charges (efforts) entre deux pièces en rotation relative l'une par rapport à l'autre avec un fi.ottement très réduit. n supporte et assure le guidage d'une charge toumante.

I.2.Définition [1]

L'origine du mot roulement vient en fàit des cops roulants Œilles, rouleaux ou aiguilles) qui sont placés entre les deux éléments en rotation et qui pemettent le roulement et non plus le fiottement, qui signifie supporter, ce qui est une des fonctions principales du roulement : supporter les charges.

Un roulement est composé de quatre éléments principaux Œigure 1.1 ) :

• (1)la bague extérieue, à montre dans un logement qui est, soit fixe, soit toumant.

• (2)les éléments roulants Œilles, rouleaux ou aiguilles) qui pemettent la rotation d'une bague par rapport à l'autre.

• (3)Chemin de roulement,

• (4)la cage qui maintient en place les billes, les rouleaux ou les aiguilles et les empêche de ffotter l'un contre 1'autre.

• (5)la bague intérieue, à montre su un arbre toumant, ou fixe.

n existe des exceptions telles que, roulements sans cage, ou sans bague intérieue, ou sans bague extérieue, ou simple cage à billes, à rouleaux, sans les deux bagues, etc. . .

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Figure 1.1: Composante d'un rou]ement.

I.3.Types des rou]ements

Cmel que soit la taille, la qualité et la matière utilisée pou la fribrication du roulement, les roulements sont classés de plusieurs manières.

Leroulementàrouleauxsupporteuneffortradialsupérieuparrapportauroulementàbilles, car le contact des éléments roulants avec les bagues est linéaire.

On utilise le roulement à rouleaux pou augmenter la surface de contact afin de minimiser les contraintes ou les pressions su 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 Œutées) dans le cas d'une charge axiale importante.

Iæ choix du type et de la taille d'un roulement est basé su les conditions de fonctiomement et les caractéristiques de construction à fm d'assurer un bon fonctionnement à des coûts réduits.

Les facteus qu'il faut tenir en considération pou réaliser un choix optimal de roulement sont les suivants [2] :

• Savoir la nature, la direction ainsi que l'intensité de la charge que doit supporter le roulement.

• La vitesse de rotation du roulement.

• La duée de vie souhaitée (demandée).

• La température à laquelle le roulement va travailler.

• La précision de fonctionnement afin de pemettre fixer lejeu inteme de chaque roulement.

• 11 faut tenjr en compte le mode de la lubrification, ainsi que le type du lubrifiant.

• La nature de la machine pou faire le choix du type de montage du roulement.

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• La matière de l'arbre et du logement qui pemettre de calculer lejeu résiduel (fonctionnel) du roulement.

• L'encombrement (l'espace) réservé au roulement.

1.3.1. Les roulements à bines [2]

13.1.1. Rou]ement rigide à une seule rangée de bines (contact radial) :

C'est un roulement symétrique, il est souvent utilisé avec gorge profonde, ce qui lui pemettre de supporter des charges purement radiales importantes, ou celles combinées dans les deu sens.

Comme, il est adapté pou 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 su la bague extérieue et présente un jeu très réduit avec la bague intérieue, il pemet de conserver la quantité du lubrifiant et empêche la pénétration des corps étrangers à l 'intérieu du roulement

' --y-- ' 'r_-

Figure 1. 2: Roulement rigide à bines, à une rangée. [3) 1£.1.2. Rou]ement à contact ob]ique à une seu]e rangée de biues

Dans ce type de roulement, les pistes (chemins) sont usinées avec un épaulement haut su la bague intérieure, et un autre bas sur la bague extérieure. Les deux épaulements sont disposés l'un en face de l'autre, à cet effet, ce type de roulement est adapté pou des charges axiales appliquées su un seul sens.

Ifl zone de charge ®ré 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 atteint 40°.

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Si la charge axiale appliquée est importante, il est préférable de prendre un angle de contact important, et au contraire si la vitesse de rotation est très élevée.

Figure 1. 3: Rou]emeDt à contact oblique à une seule rangée de büles [3].

1.3.1.3. Roulement à contact oblique sur deu rangées de bil]es

C'est le type de roulement ou les bagues intérieue et extérieue possèdent deux chemins pistes chacune. 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 deu sens.

Figure 1. 4:Roulement à contact obüque sur deux rangées de bil]es [3]

13.1.4. Roulement à rotule sur deux rangées de billes

La bague intérieue de ce type de roulement est caractérisée par deux gorges ®istes) profondes, le moment ou celle extéricure dispose d'une seule piste de fome sphérique, cette construction peimet aux axes des bagues intérieue et extérieure de se basculer d'un angle assez important l'un par rapport à l'autre.

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Ce t)pe de roulement est adapté pou des applications ou la précision d'alignement des alésages des logements n'est pas assuée. 11 est caractérisé par un angle de contact réduit ce qui limite son utilisation juste pou les charges axiales réduites.

Figure 1. 5: Roulement à rotule sur deux rangées de biues [3]

13.1.5. Rou]ements à bines à quatre points de contact

Avec la coubue des pistes définie en ogive, les roulements à contact oblique à 4 points de contact sont particulièrement aptes à supporter des charges combinées, avec des charges axiales dans les deux sens. Moins encombrants que les roulements à contact oblique à deux rangées de billes, ils acceptent des charges radiales légèrement inférieues.

Figure 1. 6:Rou]ements à bines à quatre points de contact [3].

Plus limités en vitesse de rotation que les roulements à contact radial, les roulements à contact oblique à 4 points de contact conservent des perfomances très satisfaisantes. Leurs caractéristiques générales en font d'excellents compromis pou toutes les applications courantes nécessitant des roulements supportant des charges mixtes. Dans les plus roulements de grandes

dimensions, il est nomal de trouver des encoches d'immobilisation su la bague extérieure.

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1.3.2. Rou]ements à rouleaux [2]

13.2.1. Roulements à une seu]e rangée de rouleaux cylindriques

Pou réduire les contraintes (forces de contact) dans le cas d'une charge radiale importante, ilfautquelasurfacedecontactsoitimportante,danscecas,ilestnécessairedepasserd'uncontact ponctuel à un autre 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 assué par des épaulements usinés et rectifiés su les bagues intérieures, extérieues ou les deux bagues de roulements à la fois (selon le type de montage). Selon la forine des bagues, le roulement à rouleaux cylindrique est classé en ce qui suit :

• Roulement avec bague extérieue démontable dans les deux sens.

• Roulement avec bague intérieue démontable dans les deux sens.

• Roulement avec bague intérieure démontable dans un seul sens.

• Roulement avec bague extérieue démontable dans un seul sens.

La fabrication de ces différents types donne la possibilité de les utiliser dans le cas des charges radiale importantes à des vitesses de rotation élevées, et pou des machines qui possèdent des déplacements axiaux. L'épaulement de guidage usiné su les bagues ne pemet pas l'utilisation de ce type de roulement dans le cas des charges axiales importantes.

Figure 1. 7: Rou]ements à une seule rangée de rou]eaux cyllndriques (3|

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Chapitre l GénéraHtés sur les roulements

13.2.2. Roulements à rotu]e sur deux rangées de rouleaux

Les roulements à rotules sur deux rangées de rouleaux comportent dcux chemins usinés sur la bague intérieue et séparés par un épaulement à fin d'assuer un bon guidage. La bague extérieue possède un chemin de fome sphérique.

Ce type de roulement est utilisé pou compenser les défauts d'alignement, ou la flexion de l'arbre due à l'action d'une charge importante. Cette constniction pemet le déplacement libre de l'ensemble Œague intérieue -cage -rouleaux) à l'intérieue de la bague extérieue, à cet effet et en plus des charges radiales, 1e roulement peut admettre aussi des charges axiales.

Figure 1. 8:Roulements à rotu]e sur deux rangées de rouleaux 13.2.3. Rou]ements à rouleaux coniques

lls ont la possibilité de supporter des efforts axiaux et radiaux importants. Du ftit de la disposition des contacts de roulement, les bagues peuvent se désolidariser par translation axiale.

Ils ne posent donc pas les mêmes problèmes d'assemblage que les roulements à billes.

ns constituent une liaison rotule équivalente (ùnilatérale) entre les bagues. D'une grande rigidité, ce type de composant est idéal pou les guidages de grandes précisions devant subir de gros efforts ®ivot de roue de véhicules, broche de machines)

Pou le guidage d'un arbre, ils sont généralement associés par paire en opposition. Suivant la djsposition des composants, on obtient un montage dit en 0 ou en X. Ce montage en opposition ne pemettant pas la constitution d'une liaison isostatique, il y a nécessité de réglage au montage.

Leu mise en œuvre est donc plus coûteuse.

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1

I I I I I I I I I

Figure 1. 9:Roulements à rouleau coniques (3]

1.3.3. Butée [2]

13.3.1. Butée à bi]]es

1.3.3.1.1. Butée à billes à simp]e effet

Ce type de roulement est destiné pou supporter des charges puement axiales à des vitesses par fois élevées et pou mainterir le guidage de l'arbre dans un seul sens.

Une butée à billes compremd deux rondelles dont les surfaces intérieues sont usinées gorges profondes (chemins) dans lesquelles toument des billes guidées par une cage. Les deux rondelles ontdesalésagesupeudifférents,lepluspetitdoitêtrefixéesul'arbreàceteffet,elleestappelée rondelle d'arbre, par contre la deuxième est la rondelle logement.

13.3.1.2. Butée à bllles à double effet

Elle supporte des charges axiales, comme elle fixe l'arbre dans les deux sens. Ce type de roulementcomprendunerondelled'arbreavecunegorgeprofonde(chemin)suchaqueface,deux ensembles (cage - éléments roulants) et deux rondelle logements chacune possédant une gorge.

Les rondelles logements ont des surfaces d'appuis planes ou sphériques pou compenser les défauts d'alignement. Elles sont les mêmes pou les butées à simple et à double effet, ainsi que l'ensemble (cage éléments roulants).

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Chapitre 1 GénéraHtés sur les rou]ements

Figure 1. 10: Butée à bines [3]

1.3.3.2 Butée à rouleaux cylindriques

Les butées à rouleaux cylindriques sont utilisées si la capacité des butées à billes est insuffisante. Se sont de butées à simple effet qui n'admettent les charges axiales que dans un seul sens, elle peut supporter des très fortes charges axiales et sont très sensibles aux chocs. On rencontre aussi les butées à rotule su rouleaux qui sont caractérisées par un angle fomé par l'axe de la butée et la ligne d'action de la charge d'un chemin à l'autre.

Les butées à rotule su rouleaux comprennent l'ensemble rondelle arbre et cage de rouleaux, qui sont séparables de la rondelle logement. Elles sont conçues pou des oscillations optimales grâce à la fome sphérique du cherin des rouleaux su la rondelle logement.

Figiire 1.11: Butée à rouleaux cylindriques [3]

1.3.4. Roulement à aiguilles

Ces roulements sont assez par[iculiers. Ils ont une fome très allongée, ce qui leu pemet de supporterdeforteschargesradialesdansunencombrementtrèsréduit.,maisilsn'accçptentaucune charge axiale. Seuls les roulements combinés, composés d'une buté à aiguilles et d'une cage à aiguilles, supportent les deux charges à la fois.

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Chapitre 1 Généralités sur les rou]ements

Figure 1. 12: Roulement à aiguilles [3]

IJ.5. Rou]ements à rou]eaux sphériques

Ce type de roulement est similaire au roulement à rotule avec deux rangées de billes. Sa bague extérieue comporte un chemin de roulement sphérique, ce qui lui autorise un défaut d'alignement important. Contrairement au roulement à rotule su billes, il peut admettre des charges radiales dès élevées et accepte aussi les charges axiales.

Figure 1. 13: Roulement à rouleaux sphériques.

1.4. Fabricatîon des roulements [1]

Ce produit de haute technicité doit, par sa fonction (mise en rotation de deux éléments l'un par rapport à l'autre) satisfàire des contraintes de charges, de précision et de ffottement minimal. L'ensemble de la gamme de fabrication d'un roulement est constitué par :

1.4.1. Première étape (trouver la bonne matière première)

La matière première employée pou les bagues et les éléments roulants Œilles, rouleaux) est ui acier hautement allié que l'on désigne sous le sigle loocr6 (avec du chrome), qui présente les caractéristiques suivantes : bome résistance aux charges, aptitude à la trempe et stabilité du traitement thermique. Le matériau utilisé dans la fabrication des cages peut être de 3 types : en tôle

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emboutie (ou laiton), en polyamide pou les cages synthétiques, ou bien encore de cages massives en laiton usinés (notamment les roulements de grandes dimensions).

1.4.2. Seconde étape (fabrication des éléments des roulements) 1.4.2.1. Fabrication des bagues

Cette fàbrication comporte 3 étapes principales. I.a première étape consiste à donner à l'élément bague une fome proche de sa fome défiritive. On utilise pou cela deux méthodes différentes : soit on usine la pièce de façon classique avec différents outils, soit on défome un bloc de matière que l'on usine par la suite. La deuxième étape est le traitement tiiemique qui va donner aux bagues les caractéristiques mécaniques désirées. Pou cela les bagues sont portées à très haute températue (850°C) : c'est la phase d'austénisation, suivie d'une trempe (généralement dans muile), puis d'un revenu. Enfm, la demière étape consiste à domer aux bagues leu fome définitive. On utilise le plus souvent l'abrasion pou cette étape.

1.4.3. Fabrication des éléments roulants 1.4.3.1. Fabrication des bi]]es

Les billes sont fabriquées à partir d'un fil d'acier de diamètre environ égal à celui de la bille définitive. La première étape consiste à séparer ce fil en plusieus morceaux grâce auxquels on obtient des billes avec l'opération de ffappage. La bille est ensuite rectifiée par limage entre des pla¢eaux limeurs afin d'obtenir une sphère. Comme pou les bagues, 1'étape suivante est le traitement technique, suivi ensuite d'une rectification par abrasion su meule. Les billes sont ensuite lavées puis contrôlées.

1.4.3.2. Fabrication des rou]eaux coniques

Les étapes nécessaires à la fàbrication des rouleaux coniques sont similaires à celle décrites pou les billes. La première étape est le matriçage (ftppage), suivie de l'ébavmge (limage), puis du traitement thermique, de la rectification, et enfin le lavage et le contrôle. Le processus de rectification se fàit toutefois en plusieurs temps, afm de donner aux rouleaux les dimensions désirées. On rectifie d'abord le diamètre du rouleau, puis ses faces, et enfin son bombé.

1.4.4. Fabrication des cages

La fabrication des cages se fàit selon un procédé différent suivant le matériau utilisé. I.a fabrication des cages en tôle se fàit par emboutissage pou parvenir à la fome voulue. I.es cages synthétiques sont moulées tandis que les cages massives sont usinées, en général dans le laiton ou dans un autre matériau qui sera choisi en fonction de contraintes particulières.

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1

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1.4.5. Assemblage final

Cette opération consiste, comme son nom l'indique, à assembler les différents éléments qui composent le roulement, et ce en respectant les différentes tolérances de jeu conespondant à la catégorie dans laquelle se trouve le roulement. L'assemblage se frit en excentrant une bague par rapport à l'autre, ce qui pemet d'introduire facilement les billes à l'intérieu du roulement. IÆ cage est ensuite rivetée grâce à une presse. Puis, on met en place les protections su les côtés du roulement. n peut s'agir de joints d'étanchéité ou de déflecteus de protection, suivant les roulements. Enfm, les roulements sont lavés et contrôlés : diamètre extérieu, intérieu, bruit, vibration. A ces étapes, il faut parfois ajouter les opérations de graissage et de mise en place des joints dans le cas de roulements étanches.

1.5. Montage / Démontage des roulements [1]

Le montage et le démontage des roulements sont des opérations nécessitant un savoir-frire particulier. En effet, il est indispensable que le roulement soit correctement monté afin de garantir son fonctiomement optimal. Pou cela, il faut définir des tolérances d'arbre et de logement. 11 existe deu types d'ajutement pou chacune des deux bagues : l'ajustement libre et l'ajustement sené. Bien que l'ajustement libre soit le plus pratique (car le plus simple à mettre en œuvie), il est indispensable que l'un des bagues au moins ait un ajustement serré, ceci afin d'éviter le roulage des bagues. Le roulage est un phénomène qui survient lorsque que l'on a une différence de vitesse de rotation entre l'arbre et la bague intérieure ou entre le logement et la bague extérieue. n en résulte un endoinmagement de la ou les bagues et la nécessité de changer le roulement.

Pou monter et bloquer un roulement, on utilise divers procédés. n s'agit soit d'épaulement, d'écrous, ou bien encore de segment d'arrêt.

1.5.1. Montage

Avant tout montage, les arbres sont d'abord mesués afm de vérifier qu'ils ne présentent pas de défauts (ovalité, conicité pou les roulements à portée cylindrique) Les méthodes de montage varient suivant le type et la taille du roulement. Voyons tout d'abord les roulements montés su portée cylindrique.

Lorsque la bague nécessite un ajustement libre, il est en général effectué à la main. En revanche, lorsque la bague nécessite un ajustement serré, celui-ci peut être réalisé de diverses façons. L'emanchement (mise en place du roulement su la portée) de la bague intérieue su l'aibre se fàit à fi.oid, ou à chaud (la dilatation du roulement facilite l'emmanchement, mais il est alors impératif de maintenir le roulement bloqué contre l'épaulement pendant le reffoidissement).

Lorsqu'il s'agit de la bague extérieure qui nécessite un ajustement serré, l'emmanchement se firit en général à fl.oid, car les logements sont difficiles à chauffer.

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(33)

Chapitre l GénéraHtés sur les roulements

Dans tous les cas, l'effort de montage ne doit en aucun cas être transmis par les éléments roulants.

On utilise donc une douille de montage, qui vient en appui su la bague nécessitant un ajustement scmé. Si les deux bagues requièrent un ajustement serré, la douille prend appui su les deux bagues en même temps. Les 3 images ci-dessous explicitent le montage des roulements grâce à une douille de montage.

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BagDe htérieue aTec

ajgstemeBt sené Bagle edérieue avec ajBstenent serTé

Figure 1. 14: montage d'un roulement

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Les 2 bagpes avec

ajutene]t serré

L'ajustement serré provoque une dilatation de la bague intérieue et une contraction de la bague extérieue. 11 faut donc au préalable choisir des roulements avec des jeux plus grands que ceux attendus. Les roulements montés sur portée conique ou su manchon de serrage sont plus faciles à monter. En effet, on utilise en général un écrou de serrage, serré grâce à une clé à main, ou lorsque l'effort à foumir est plus important, à l'aide d'une clé de fi.appe. Lorsque les roulements sont bloqués grâce à ce type d'écrou, on utilise aussi une rondelle d'arrêt, pemettant de bloquer l'écrou et d'éviter sont desserrage intempestif.

1.5.2. Démontage

Le démontage s'effectue lui aussi de diverses manières. Pou les bagues ayant été montés avec un ajustement libre, le démontage s'effectue de la même manière que le montage : manuellement. Pou les autres bagues, c'est un peu plus compliqué. Les roulements su portée cylindrique sont démontés en appliquant une force su la partie liée à l'arbre ou au logement (en évitant bien sûr toujours la transmission des forces par les éléments roulants). De plus en plus, on utilise de lhuile à haute pression pou faciliter ce démontage. 11 faut alors avoir prévu des canaux d'arrivée dbuile lors de la concçption du système.

Pour les roulements montés sur portée coniques et démontés grâce à cette méthode d'injection dhuile, il est nécessaire de prévoir un écrou de butée.

En effet, le roulement est dégagé de façon très brutale, il doit donc être bloqué pou éviter d'être expulsé. Les roulements de petits diamètres ne nécessitant pas de gros efforts, sont en général

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démontés grâce à une douille de démontage ou, lorsque ce n'est pas possible, grâce à une cale en acier.

Hgure 1.15: Démontage d'un roulement par injection d'huile.

1.6. Les défauts de roulements [4]

Ile roulement c'est l'élément le plus suscçptible de subir une défrillance dans une machine toumante dans un environnement industriel.

Parini les nombreux défauts qui peuvent se trouver dans un roulement, citons les plus fi.équentes entre eu :

1.6.1. Usure

L'usue généralement provient de trois causes principales :

• L'usue peut proverir à cause de particules qui pénètrent entre le corps roulant, et les bagues inteme et exteme. Cela se manifeste généralement lorsqu'il y a un manque de propreté lors de l'assemblage du roulement, ou si le lubrifiant est contaminé par des particules. Une légère dentelue appara^i^t alors su les bagues externe et inteme, et su le cops roulant. (a)

• L'usue peut encore se montrer à cause d'une lubrification légère ou manquante. Dans une telle situation, le lubrifiant n'est pas capable d'atteindre l'intérieu du roulement, on a besoin d'une ré-lubrification fféquente. I.e roulement possède les différentes parties usées et de surface réfléchissante comme un miroir. Œ)

• La dernière cause qui est responsable d'une telle usure provient d'une vibration excessive qui atteint le roulement sans que celui-ci ne toume. Généralement, ce type de défaut apparait lors du transport des machines, sous fome de creux rectangulaires su le chemin de la bague inteme, et circulaires su le chemin de la bague exteme. Plusieurs mesures

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(35)

Généralités sur les roulements Chapitre 1

peuvent être prises pou éviter ce type de défaut. Un pré chargement radial des roulements duant le transport peut résoudre ce problème. Un support amortisseu de vibration peut encore réduire les détériorations. (c)

Figure 1. 16: Défaut de roulement -usure.

1.6.2. Dentelure

La dentelure apparait généralement lorsque le roulement n'est pas correctement monté, ou lorsque le roulement est soumis à une grande charge lorsqu'il est immobile. Une dentelue alors apparait dont la distance entre les fissures est égale à la distance entre les coips roulants.

Figiit.e 1. 17: Défaut de roulement -dentelure.

1.6.3. Bavure

Le phénomène de bavure apparait sous fome d'un transftrt de la matière d'une surface à une autre. Cela peut être causé par plusieus facteus : un manque de lubrification, pénétration du corps roulant dans la zone chargée, une charge légère par rapport à la vitesse de rotation et d'autres. . .Chaque cas doït être traité de façon à éliminer la cause. Le développement de la bavure conduit à une cassLme totale de la bague ou du corps roulant,

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Figure 1. 18: Défaut de roulement -bavure.

1.6.4. Ecainage

L'écaillage apparait normalement à cause du vieillissement du roulement, mais ce n'est pas la raison uiique pou que cet écaillage apparaisse, celui-ci peut arriver à cause d'une grande différence de températue entre la bague inteme et exteme, de même, si le boitier qui porte le roulement possède la forme ovale, on obtient le même résultat, il faut changer le boitier immédiatement. D'autres causes peuvent être : un montage inconect du roulement, ou une liberté axiale légère qui n'est pas suffisante pou le mouvement de la dilatation.

Fîgure 1. 19: Défaut de roulement -écail]age.

1.6.5. Corrosion

Elle apparait après la présence de l'eau ou de l'humidité pou une longue période dans le roulement. h corrosion peut entrainer à la cassure d'une bague ou du corps roulamt. Pou la corriger, il faut utiliser un meilleu lubrifiant antirouille.

Flgure 1. 20: Défaut de roulement - corrosion.

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1.6.6. Cassure

La cassure provient dans la plupart des cas d'une mauvaise manipulation du roulement, par exempleluidonnerucoupdemarteauautempsdemontage.lacassuepeutencoreprovenird'une corrosion ou d'une bavure.

Figiire 1. 21 : Défaut de rou]ement -cassure 1.6.7. Choc électrique

Lepassaged'mcourantélectriquedansunroulementenrotationounon,peutendommager ces différcntes parties.

Figure 1. 22: Défaut de roulement -choc é]ectrique.

1.7. Les fréquences caractéristiques des roulements

Les expressions des ftéquences caractéristiques du défaut, qui peuvent être tirées d'après la cinématique, sont domées par les expressions suivants [5].

En considérant que la bague extérieue est fixe (cas d'un arbre toumant) :

La fiéquence de passage d\)n élément roulant sur un défaut de bague extérieue notée /be est donnée par l'équation suivante :

fbe--%NB(1-

DB COS(O) DJ,

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La fféquence de passage dlm élément roulant su un défaut de bague intérieue, supposée montée su l'arbre tomiant dénotée /bi est donnée par l'équation suivante :

fbt--%NB(1+

DB COS(O) Dp

La fi.équence de passage d'm défaut de cage dénotée /c est domée par l'équation suivante :

/c = Î (1 - ^{DB CoS(0)}_Dp

Do"C fc = fbe / N 8

La fféquence de passage d'u défaut de bille (ou rouleau) su la bague exteme ou su la bague inteme dénotée /b(zze , est domée par l'équation suivante :

fbiue--f=NB(1-

Avec :

|/bc est la fiéquence de bague exteme,

|/i,. est la fféquence de bague inteme,

•/c est la fféquence de cage,

•/bjÆé est la fféquence de bille,

•/,estlafi.équencederotationmécanique,/r=Ë;Nrestiavitessederotationdel'arbre.

• JV,B est le nombre de billes du roulement,

• DB est le diamètre des billes,

• Z)p est le diatnètre moyen du roulement.

• 0 est l'angle de contact

1.8. Signau des roulements

Les vibrations générées par un roulement neuf et en bon état sont fàibles et ressemblent à un bruit aléatoire. Lorsqu'un défaut commence à se développer, les vibrations produites par le roulement changent.

Les défauts localisés su les roulements, engendrent une excitation assimilable à un train d'impulsions périodiques correspondant au passage de l'élément roulant su le défaut. Par

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