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Jun 23, 2023

Roulements à aiguilles : 60 ans et toujours en évolution

Bien que la conception de base d'un roulement à aiguilles n'ait pas beaucoup changé au cours des 60 dernières années, des développements continus ont abouti à de nouvelles conceptions de cages offrant une durée de vie cinq fois supérieure.

Bien que la conception de base d'un roulement à aiguilles n'ait pas beaucoup changé au cours des 60 dernières années, des développements continus ont abouti à de nouvelles conceptions de cages qui offrent une durée de vie cinq fois supérieure et une capacité de charge statique deux fois supérieure à celle de leurs homologues d'origine. La plupart des ingénieurs concepteurs seront déjà familiers avec les avantages techniques offerts par un roulement à aiguilles – la capacité de supporter des charges relativement élevées dans un design compact. Cet avantage technique a fait du roulement à aiguilles le choix de roulement préféré dans une grande variété d'applications de transmission de puissance industrielle et automobile au fil des ans. Un roulement à aiguilles est un roulement qui utilise de petits rouleaux cylindriques. Ces rouleaux sont utilisés pour réduire le frottement d'une surface en rotation. Par rapport aux roulements à billes, les roulements à aiguilles ont une grande surface en contact avec les tourillons du chemin de roulement. La structure typique d'un roulement à aiguilles comprend une bague intérieure (ou parfois juste un arbre), une cage à aiguilles qui oriente et contient les rouleaux à aiguilles, les rouleaux à aiguilles eux-mêmes et un chemin de roulement extérieur. Il existe de nombreux modèles différents de roulements à aiguilles, notamment les coupelles étirées, les bagues de précision, les rouleaux en cage et les rouleaux de butée. Ici, nous considérons le type à rouleaux en cage. La fonction d’un roulement à aiguilles en cage est de supporter les charges radiales et les vitesses de rotation. Ici, une cage guide et retient les rouleaux. Les modèles à cage sont généralement disponibles en modèles à une ou deux rangées, avec une grande variété de matériaux de cage disponibles, notamment l'acier, le plastique (PA66) et l'aluminium. Les conceptions de roulements à plusieurs rangées augmentent la capacité de charge. Les cages, qu'elles soient en acier ou en plastique, peuvent être fabriquées dans une variété de constructions différentes, y compris une cage solide, une cage à fente unique et des moitiés divisées (en deux parties). Ces cages peuvent également intégrer des passages de lubrification et d'autres caractéristiques conçues sur mesure. Les applications typiques des roulements à aiguilles en cage sont les boîtes de vitesses, les systèmes de transmission de puissance automobile, les moteurs à deux et quatre temps, les engrenages planétaires et les compresseurs d'air. Quel que soit le type des quatre types principaux Lorsqu'un roulement à aiguilles est sélectionné pour une application, les ingénieurs doivent prendre en compte divers facteurs avant de prendre leur décision le plus tôt possible dans la phase de conception : la taille/l'enveloppe de conception, le type de charge, la capacité de charge, la vitesse, la température, le désalignement, le boîtier. et les spécifications de l'arbre, la durée de vie et les exigences de lubrification. En 1949, à la fin de la Seconde Guerre mondiale, les fondateurs de l'INA (aujourd'hui le groupe Schaeffler), le Dr Georg Schaeffler et son frère Wilhelm, ont inventé un nouveau type de roulement à aiguilles, le Roulement à aiguilles en cage INA. C'est lors de la fabrication de roulements pour l'armée américaine que Georg Schaeffler a pour la première fois réfléchi à la manière de surmonter les inconvénients des roulements à aiguilles à complément complet. À l'époque, les conceptions de roulements avec éléments roulants avaient tendance à se déformer, en particulier à des vitesses de fonctionnement élevées, et souffraient donc d'une augmentation de la résistance au frottement (chaleur). De plus, le roulement se bloquait facilement là où le jeu était restreint. En 1949, la solution du Dr Georg Schaeffler consistait à guider les aiguilles axialement dans une cage. Le roulement à aiguilles en cage surmontait ces inconvénients tout en offrant des vitesses élevées et un faible frottement. En collaboration avec une équipe d'ingénieurs de l'INA, Georg a développé l'idée jusqu'à ce qu'elle soit prête pour la production en série, puis est parti avec son frère armé d'une caisse d'échantillons pour convaincre les clients des avantages de son nouveau roulement à aiguilles. Au cours des premières années, Le développement de l'INA est étroitement lié à l'industrie automobile. En effet, la première cible du roulement à aiguilles en cage était l'industrie automobile et certains des premiers clients à se convertir à la nouvelle technologie étaient Mercedes Benz et Adler Motorcycles. L'activité roulements de l'INA avait véritablement démarré. En peu de temps, le roulement à aiguilles en cage du Dr Schaeffler est devenu un élément essentiel dans de nombreuses conceptions d'installations et de machines automobiles et industrielles. Il est remarquable que le génie technique du roulement à aiguilles en cage du Dr Schaeffler soit toujours utilisé dans sa conception originale aujourd'hui. Cependant, la conception originale n'est pas restée immobile au fil des années, mais a été continuellement améliorée et adaptée pour répondre à des demandes de plus en plus diverses. Le roulement à aiguilles à cage INA a apporté une contribution significative au développement de véhicules plus petits, plus efficaces et plus rentables. Même aujourd'hui, il serait difficile d'imaginer un système de transmission automobile qui n'utilise pas de roulements à aiguilles. Aujourd'hui, les roulements à aiguilles INA sont fabriqués dans plus de 15 000 variantes, avec de nouvelles conceptions personnalisées pour répondre aux exigences particulières des applications des clients. Usinés INA les roulements à aiguilles constituent le cœur de la gamme, en particulier avec l'introduction récente du standard de qualité premium X-life de Schaeffler. Les roulements à aiguilles produits selon la qualité X-life offrent désormais une augmentation de 13 pour cent de la charge dynamique par rapport aux roulements conventionnels, ce qui correspond à une augmentation de 50 pour cent de la durée de vie. Pour le client, ces améliorations signifient moins de contraintes liées au lubrifiant et une friction réduite. et des températures de roulement plus basses, ce qui se traduit par un roulement plus économe en énergie. En outre, l'augmentation de la capacité de performance permet de réduire la taille du roulement pour l'application, avec des réductions correspondantes du poids du roulement et de ses besoins en espace. Dans le cas peu probable où les exigences de l'application dépassent même les roulements X-life, d'autres améliorations techniques des performances peuvent être obtenus grâce à l'utilisation de nouveaux revêtements et matériaux pour roulements. Un projet actuellement entrepris dans la division automobile de Schaeffler implique la refonte d'un train d'engrenages planétaires à grande vitesse pour une transmission à boîte de vitesses automatique sur un nouveau véhicule de tourisme électrique hybride. Stewart Davies, ingénieur d'application principal chez Schaeffler (UK) Ltd commente : « L'industrie automobile est aujourd'hui soumise à une pression croissante pour produire des véhicules plus économes en carburant et produisant moins d'émissions de CO2. Une méthode pour y parvenir consiste à améliorer la consommation de carburant du véhicule en réduisant la friction sur l’ensemble de la transmission. Cela signifie réduire le poids de l'ensemble du véhicule en réduisant le poids des composants individuels. "Davies affirme qu'une conception spéciale de cage pour le roulement à aiguilles et des caractéristiques améliorées qui améliorent les caractéristiques de flux de lubrification du roulement, ont abouti à une conception de roulement à friction plus faible, ce qui a permis à l'ensemble d'engrenages planétaires du client pour les différentiels électriques d'être de taille réduite, pesant 17 pour cent de moins que le système d'origine. Les roulements, associés à un flux d'huile optimisé à travers le support, ont permis des vitesses de fonctionnement 20 % plus élevées (jusqu'à 8 000 tr/min). « La cage a été conçue sur mesure pour l'application. En raison d'une enveloppe de conception restreinte, la cage devait être plus petite pour accueillir l'arbre et l'alésage du boîtier de l'engrenage est fini pour supporter un chemin de roulement. Dans le cas contraire, une bague extérieure ou intérieure aurait été nécessaire », explique Davies. Les roulements à aiguilles en cage peuvent être assemblés dans de nombreuses variétés pour le client. Ceux-ci incluent des conceptions à simple division, des types à demi-coque et des connexions à simple division avec des connexions à barres à ressort diagonales. De la fin des années 1980 au début des années 1990, les améliorations de la conception des cages se sont concentrées sur des modèles plus minces avec une masse réduite. D'autres améliorations comprenaient de nouvelles caractéristiques de conception qui permettaient de déplacer le lubrifiant plus efficacement dans toutes les zones du roulement, conduisant ainsi à un meilleur débit d'huile. À l'origine, les cages étaient conçues simplement pour guider les éléments roulants. Cependant, plus récemment, les roulements à aiguilles sont dotés de conceptions de cages considérablement améliorées, comprenant par exemple des cages spéciales précontraintes. La précession aide non seulement à répartir l'usure entre tous les rouleaux, mais distribue également le lubrifiant autour du roulement. Le « faux Brinell » est un mode de défaillance typique des roulements à aiguilles en cage, en particulier dans les applications de transmission de puissance. Ces modes de défaillance sont généralement provoqués par des micro-vibrations et des mouvements entre les éléments roulants et les tourillons du chemin de roulement, créant des conditions de contact métal sur métal. Le résultat d'améliorations telles que celles décrites a conduit aux dernières conceptions de rouleaux en cage à roulements capables de offrent des capacités de charge statique jusqu'à 25 % plus élevées pour un roulement de taille similaire, ce qui équivaut à plus du double de la charge nominale dynamique. Pour les applications comportant plusieurs petits mouvements, la durée de vie des roulements est généralement multipliée par trois à cinq. Pour plus d'informations, visitez www.schaeffler.co.uk