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Roulements à billes ou roulements à rouleaux, lequel ?
Les roulements sont des composants essentiels dans presque toutes les machines, car ils contribuent à leur bon fonctionnement en réduisant la friction entre les pièces mobiles. Il existe de nombreux types de roulements (la légende raconte qu'il en existe 470,000 XNUMX types), chacun étant conçu pour supporter différentes conditions de charge. Cet article se concentre sur les deux types principaux : les roulements à billes et les roulements à rouleaux. S'appuyant sur de nombreuses années d'expérience dans la fabrication de roulements, Aubearing explique leurs différentes conceptions et les compare, en prodiguant des conseils constructifs sur la manière de choisir entre eux.
Le roulements à billes et du roulements à rouleaux sont utilisés dans une variété de machines comportant des pièces rotatives. Leurs propriétés contribuent souvent de manière significative au progrès technologique et économique dans différents domaines de l’ingénierie. La standardisation des roulements permet de sélectionner une conception directement à partir du tableau des roulements du catalogue de roulements du fabricant. Entreprises de fabrication de roulements telles que SKF, NTN, Timken, FAG, Schaeffler, Au roulement, etc. sont des sources naturelles d’informations de sélection. La plupart du temps, un designer peut sélectionner des produits de stock pour sa conception directement à partir du catalogue. Le choix d’une conception populaire et largement utilisée permet d’obtenir une convivialité optimale et constitue la solution la plus économique.
Les roulements à billes industriels sont utilisés dans une variété de machines et d’équipements de fabrication pour obtenir un mouvement de rotation fluide et efficace. Le roulement lui-même se compose d'une bague extérieure, d'une bague intérieure, d'un jeu de billes en acier et d'une cage qui maintient les billes uniformément réparties. Les bagues extérieure et intérieure sont généralement fabriquées à partir de matériaux extrêmement durables, tels que l'acier ou la céramique, et sont conçues pour résister à des vitesses élevées et à des charges lourdes. Les billes d'acier à l'intérieur du roulement fournissent des points de contact à faible friction entre les bagues intérieure et extérieure, permettant un mouvement avec une résistance minimale et réduisant l'énergie perdue par friction. La cage du roulement sert à maintenir le bon positionnement des billes, à éviter qu’elles ne se touchent et à assurer une répartition uniforme de la charge. Le mouvement de roulement est soumis à des charges axiales et radiales. Les roulements à billes sont couramment utilisés dans les applications à grande vitesse telles que les moteurs électriques et les boîtes de vitesses. Consultez notre article de présentation des roulements à billes pour plus d’informations.
Type de roulement à billes
Il existe deux types de base de roulements à billes, à une ou deux rangées. Les plus populaires sont les roulements à billes à gorge profonde à une rangée, qui consistent en une rangée de billes se déplaçant dans une seule trajectoire à gorge. Les roulements à billes à double rangée sont constitués de deux rangées de billes réparties dans deux ensembles de chemins de roulement rainurés. Les roulements à billes à une ou deux rangées sont composés de bagues intérieures, de bagues extérieures, de billes et de cages. Les deux types de roulements peuvent supporter des charges radiales et axiales élevées. Les roulements à billes à gorge profonde sont disponibles dans les applications à faible et à grande vitesse, en fonction de la classe de tolérance, de la lubrification, du jeu interne et du type de joint ou de protection sélectionné. La liste suivante présente les différents types de roulements à billes, chacun ayant des caractéristiques uniques et des utilisations spécifiques. Ces roulements sont essentiels dans de nombreuses applications, notamment les instruments de précision, les micromoteurs, les boîtes de vitesses et les moyeux de roues.
Roulements à billes à gorge profonde: Les roulements à billes à gorge profonde sont le type le plus courant. Ils peuvent supporter des charges radiales et axiales.
Roulements à billes à contact oblique: Les roulements à billes à contact oblique ont un jeu axial interne supérieur à la moyenne. Ils peuvent résister à des charges axiales dans une direction et à des charges radiales modérées.
Roulements à rotule sur billes: Les roulements à billes à alignement automatique peuvent s'ajuster aux erreurs d'alignement. Ils peuvent résister à des charges radiales mais peuvent supporter des charges axiales minimes.
Butées à billes: Les butées à billes sont conçues pour des charges axiales élevées et des charges radiales négligeables.
Roulements à billes miniatures: Les roulements à billes miniatures conviennent aux applications d'instruments de précision où l'espace est limité, comme les micromoteurs.
Roulements à billes à deux rangées: Les roulements à billes à double rangée ont deux rangées de billes et peuvent supporter des charges plus élevées.
Avantages des roulements à billes
Faible coefficient de frottement: Le principal avantage d'avoir une grande surface de contact est que le roulement à billes subit beaucoup moins de friction en raison du mouvement des chemins de roulement intérieurs et extérieurs. Cela signifie que la rotation de la pièce se déroule très facilement. De même, il suffit de regarder un fidget spinner pour comprendre dans quelle mesure les roulements à billes gèrent le mouvement de rotation. Les roulements à billes constituent donc la solution de choix dans les applications où la vitesse et la facilité d’utilisation sont une priorité.
Peut supporter des charges radiales et de poussée : Une autre caractéristique unique des roulements à billes est qu’ils peuvent tourner sur plusieurs axes. Cela signifie qu'ils réagissent non seulement aux charges radiales, mais également aux charges de poussée. La façon dont un roulement à billes tourne dépend de l’angle de la charge de poussée. La polyvalence des roulements à billes en fait un excellent choix pour les équipements qui ne sont pas utilisés selon des normes strictes, comme les jouets ou autres objets de la maison.
Design compact: Ils nécessitent moins d’espace et peuvent être utilisés dans des établissements plus petits.
Polyvalence: Convient aux charges radiales et axiales (poussée).
Peu d'entretien: Ils ont une longue durée de vie dans les applications avec de faibles charges axiales et nécessitent moins de maintenance.
Inconvénients des roulements à billes
Incapacité à supporter un poids lourd: Bien que les roulements à billes aient une surface de contact plus petite avec la charge, ce qui signifie qu'ils subissent beaucoup moins de contraintes, cela signifie également que la charge devient concentrée. Dans des cas extrêmes, cela peut entraîner une déformation des roulements à billes, précurseur d’une défaillance complète. C'est pourquoi les roulements à billes ne sont généralement utilisés que dans des applications avec des charges plus faibles. Pour les équipements de qualité industrielle, les roulements à rouleaux sont préférés. Un type de roulement à billes, appelé roulement à billes à complément complet, remplit l'espace entre les chemins de roulement intérieur et extérieur avec autant de billes que possible. Ce type de roulement peut supporter des charges plus élevées en répartissant la charge sur les billes. Cependant, les roulements à billes à complément complet sont également susceptibles de s'user en raison du contact fréquent entre des billes adjacentes.
Durabilité : Peut se déformer sous des charges excessives, entraînant une durée de vie réduite du roulement.
Sensibilité: sensible au désalignement et aux charges de choc.
Les roulements à rouleaux comportent des éléments roulants cylindriques ou coniques. Ce type de roulement est conçu pour supporter de lourdes charges radiales en raison de la plus grande zone de contact entre les rouleaux et les chemins de roulement.
Type de roulement à rouleaux
La liste suivante présente les différents types de roulements à rouleaux avec différentes caractéristiques et applications spécifiques. Ces roulements jouent un rôle essentiel dans divers scénarios tels que les roues de véhicules, les machines lourdes et les applications nécessitant une capacité de charge élevée. Lisez notre article de présentation des roulements à rouleaux pour en savoir plus.
Roulements à rouleaux cylindriques: Les roulements à rouleaux cylindriques ont des rouleaux cylindriques de taille uniforme sur toute leur longueur. Ces roulements sont adaptés au transport de lourdes charges radiales et peuvent fonctionner à des vitesses élevées. Les roulements à rouleaux cylindriques sont guidés entre des brides sur la bague intérieure ou extérieure. Même lorsque les anneaux libres sont retirés, ils sont maintenus ensemble avec les anneaux de guidage par la cage. Dans le type le plus courant de roulements à rouleaux cylindriques, la bague libre n'a pas de bride, de sorte que, dans certaines limites, les bagues du roulement peuvent être déplacées axialement les unes par rapport aux autres. Si le roulement tourne, ce déplacement se produira sans résistance, à condition que le taux de déplacement soit relativement lent (par exemple déplacement dû à la dilatation thermique de l'arbre). Le faible frottement des roulements à rouleaux cylindriques les rend adaptés à des vitesses relativement élevées et ils sont souvent utilisés conjointement avec des roulements à billes à contact oblique à grande vitesse dans les broches de machines à grande vitesse.
Roulements à rouleaux coniques: Les roulements à rouleaux coniques comportent des rouleaux et des chemins de roulement coniques, ce qui les rend idéaux pour les moyeux de véhicules et autres applications à charge élevée. Les roulements à rouleaux coniques sont les roulements à rouleaux les plus utilisés. Ils peuvent résister à des forces axiales et radiales importantes. Les roulements à rouleaux coniques sont constitués d'une bague extérieure et d'une bague intérieure, tandis que les roulements à billes sont constitués d'une bague extérieure et d'une bague intérieure. Les rouleaux coniques peuvent être assemblés en cartouches, mais dans leur forme la plus simple, ils constituent deux composants distincts, tandis que les roulements à billes peuvent être séparables, ce qui constitue généralement une unité autonome.
Les roulements à rouleaux coniques utilisent des rouleaux coniques droits dont les faces d'extrémité sont en contact avec la bride de guidage de la bague intérieure. Le cône du rouleau et le chemin du rouleau de la bague intérieure ont un sommet commun sur l'axe du roulement. L'anneau extérieur est conçu avec une génératrice de chemin de roulement légèrement incurvée pour éviter toute charge sur les bords des rouleaux. Bien que la proximité entre les rouleaux et la bague extérieure soit réduite, la contrainte de la bague extérieure est inférieure à celle de la bague intérieure. La bride de guidage de la bague intérieure présente une surface sphérique contre laquelle s'appuient les extrémités sphériques des rouleaux. Comme pour les rotules, la pression exercée sur la bride guide efficacement les rouleaux. Certains fabricants tels que Timken, FAG, NTN et SKF rendent les faces d'extrémité des rouleaux plates et les faces de guidage des brides coniques. Les extrémités du rouleau entrent alors en contact avec la bride du rouleau en seulement deux points.
Les roulements à rouleaux coniques étant séparables, ils sont généralement montés l'un en face de l'autre afin qu'un roulement puisse s'ajuster à l'autre. Après réglage, il restera toujours un très petit espace dans le roulement. Les changements de température dans l'arbre affectent ce réglage et donc le jeu des roulements. Par conséquent, les roulements à rouleaux coniques à une rangée ne sont généralement utilisés que lorsque la distance est courte. Les roulements à rouleaux coniques ont une capacité de charge radiale élevée ainsi qu'une capacité de charge axiale dans une direction. La capacité de poussée dépend de l'angle des rouleaux. En tant que mesure de cet angle (angle de contact), il est généralement compris entre 12 et 16 degrés. Certains roulements à rouleaux coniques robustes ont des angles de contact de 28 à 30 degrés.
Dans de nombreuses applications, les roulements à rouleaux coniques sont utilisés par paires dos à dos pour supporter les forces axiales de manière égale dans les deux sens. Les roulements à rouleaux coniques sont largement utilisés dans les roulements de roues automobiles pour supporter des charges radiales et axiales. Les roulements à rouleaux coniques sont couramment utilisés dans les applications lourdes. De nombreuses industries différentes, notamment les équipements agricoles, de construction et miniers, les systèmes d'essieux, les boîtes de vitesses, les moteurs et réducteurs à engrenages, les arbres de transmission, les boîtes d'essieux ferroviaires, les différentiels, les éoliennes et tous les types de remorques.
Roulements à rouleaux sphériques: Les roulements à rotule sur rouleaux ont une fonction d'auto-alignement automatique et peuvent résister à de lourdes charges radiales et axiales. Ils sont idéaux pour les applications impliquant un désalignement ou une déflexion de l'arbre.
Roulements à aiguilles: Les roulements à aiguilles ont des rouleaux fins et longs et conviennent aux applications où l'espace radial est limité mais où une capacité de charge est requise.
roulements à rouleaux de butée: Les roulements à rouleaux de butée peuvent résister à des charges axiales importantes et sont souvent utilisés dans les machines lourdes telles que les plates-formes de forage et les extrudeuses.
Avantages des roulements à rouleaux
Supporter de grosses charges: La grande surface de contact fournie par les roulements à rouleaux leur permet de supporter des charges plus importantes sans déformation ni défaillance. Cela fait des roulements à rouleaux un excellent choix pour les équipements industriels conçus pour supporter de lourdes charges ou pour d'autres applications où il y a peu de risque de panne.
Variantes de conceptions: Contrairement aux roulements à billes, la géométrie des rouleaux peut varier selon les différents types d'opération. Les rouleaux cylindriques standard sont conçus pour des charges purement radiales, offrant une plus grande capacité de charge au détriment de la capacité à gérer les charges de poussée.
Les roulements à aiguilles sont une légère variation des rouleaux cylindriques avec un diamètre beaucoup plus petit. Il est utilisé dans les applications où l'espace radial est petit. Les rouleaux à aiguilles offrent également une grande surface de contact, mais génèrent beaucoup de friction et de vibrations en raison de leur rotation très rapide. Par conséquent, il ne peut être utilisé que dans des équipements fonctionnant à basse vitesse et pouvant résister à de grandes quantités de vibrations.
Les roulements à rouleaux coniques sont coniques à une extrémité plutôt que d'être un cylindre droit partout. Cela permet aux roulements à rouleaux de résister à des charges de poussée limitées. Le rapport entre la charge radiale et la charge de poussée qu'un rouleau conique peut supporter est déterminé par l'angle du rouleau. Jusqu'à 30 degrés sont acceptables, mais la plupart des rouleaux coniques ont des angles compris entre 10 et 16 degrés.
Durabilité : Robuste et durable, il peut supporter des charges plus lourdes sans déformation.
Moins sensible: résistant aux chocs et au désalignement que les roulements à billes.
Inconvénients des roulements à rouleaux
Capacité limitée à gérer les charges de poussée : Bien qu'il existe une option permettant d'utiliser des versions coniques, il n'en demeure pas moins que les roulements à rouleaux ne sont pas principalement conçus pour les charges de poussée. Par conséquent, le mouvement autorisé par les roulements à rouleaux est restreint. Cela réduit la polyvalence des roulements à rouleaux, ce qui explique pourquoi ils sont moins visibles dans les environnements domestiques.
sujet au désalignement: Les roulements de tout type, qu'ils soient à billes ou à rouleaux, présentent un faible jeu entre les éléments du roulement et les chemins de roulement. Ce jeu interne permet aux éléments de roulement de se déplacer en douceur le long du chemin de roulement. Cependant, cela permet également aux éléments de roulement de s'écarter de leur position d'origine. Les roulements à billes tolèrent le désalignement angulaire. Cela est particulièrement vrai pour les roulements à rouleaux. Alors que les roulements à billes peuvent gérer un désalignement allant jusqu'à 0.004 pouce, les roulements à rouleaux cylindriques peuvent déjà avoir des difficultés à tourner lorsque le désalignement dépasse 0.001 pouce. Cela signifie que les roulements à rouleaux doivent être conçus avec une plus grande précision, ce qui rend leur fabrication difficile et coûteuse.
Taille: Généralement plus grand et nécessite un espace mécanique.
Entretien: un entretien fréquent peut être nécessaire, en particulier dans les applications à grande vitesse en raison d'une friction accrue.
La différence entre les roulements à billes et les roulements à rouleaux
Les roulements à billes et les roulements à rouleaux sont conçus pour réduire le frottement de rotation tout en supportant les charges radiales et axiales. La différence fondamentale entre les roulements à rouleaux et les roulements à billes réside dans leur conception de base. La principale différence entre les roulements à rouleaux et les roulements à billes réside dans le fait que l'élément roulant est un rouleau ou une bille. Lorsque l’on compare les roulements à billes et les roulements à rouleaux, plusieurs facteurs entrent en jeu.
En raison de leur faible coefficient de frottement, les roulements à billes conviennent généralement aux applications nécessitant un fonctionnement à grande vitesse.
Les roulements à rouleaux ont une grande surface de contact et sont idéaux pour les applications à fortes charges radiales.
En raison de la plus petite surface de contact, la capacité de charge des roulements à billes est inférieure à celle des roulements à rouleaux.
Les roulements à billes se déforment moins sous charge, ce qui les rend adaptés aux applications de précision.
Critères de Sélection
La sélection du roulement approprié pour une application spécifique est essentielle pour des performances et une durée de vie optimales. Les critères de sélection reposent principalement sur les deux critères suivants :
Type de charge et capacité: Les roulements doivent être capables de résister à des charges spécifiques, qu'elles soient radiales, axiales ou une combinaison de charges. Les roulements à rouleaux sont généralement utilisés pour les charges radiales lourdes, tandis que les roulements à billes sont utilisés pour les charges plus légères.
Exigence de vitesse: La vitesse d'exécution de l'application joue un rôle important. Les roulements à billes sont le premier choix pour les applications à grande vitesse en raison de leur faible résistance au frottement. Les roulements à billes sont généralement mieux adaptés aux applications pouvant nécessiter une rotation à grande vitesse. Ils ont un coefficient de friction plus faible au démarrage et en fonctionnement, ce qui signifie qu'ils peuvent atteindre des vitesses plus élevées avec moins de résistance.
Les roulements à rouleaux, en revanche, sont mieux adaptés aux applications nécessitant des capacités de charge plus élevées. En effet, le contact linéaire (par opposition au contact ponctuel dans les roulements à billes) permet de répartir largement la charge sur le roulement. En termes d'efficacité, les roulements à billes ont tendance à avoir un léger avantage en minimisant les frottements à grande vitesse. Cependant, grâce à leur conception, les roulements à rouleaux peuvent supporter efficacement des charges plus importantes.
Conclusion
Les roulements sont utilisés depuis des décennies et constituent sans aucun doute l’un des composants techniques les plus importants dans les environnements industriels, commerciaux et domestiques. Ils assurent un mouvement de rotation fluide et constant et préviennent l’usure causée par la friction. Les roulements à billes et divers types de roulements à rouleaux sont tout ce dont chacun a besoin pour assurer une connexion amovible entre les composants qui doivent tourner le long de n'importe quel axe.