Guidages - Tourillons, Pivots, Roulements

Tourillons, Pivots, Roulements

Dans un support, la partie mobile ou arbre tourne dans son logement et frotte sur la partie fixe. Les frottements absorbent une partie importante de la force motrice transmise par l'arbre qui peut atteindre 50 %. Cette énergie est transformée en chaleur qui accélère l'usure des surfaces frottantes.

Le souci constant des constructeurs a été de diminuer ses pertes en étudiant la forme à donner aux supports et en perfectionnant leur graissage.

Tourillons :

L'énergie absorbée par le glissement d'un tourillon dans son logement est proportionnelle au coefficient de frottement f, nombre qui caractérise l'état et le matériau des surfaces en contact. Si on interpose par le graissage un lubrifiant entre ces surface, on diminue considérablement la valeur de ce coefficient, soit f’á f. Pour éviter l'expulsion du lubrifiant, il faut limiter la pression du tourillon sur son appui. L'expérience montre que cette pression unitaire qui dépend de la charge transmise par l'arbre, ne doit pas dépasser 500 N/cm² pour le glissement acier sur bronze, graissage par film.

p moyen = F(N) / S (cm²) ≤ 500 N/cm².

L'échauffement et l'usure inévitable des surfaces en contact dépendent de la vitesse de rotation et de la transmission et de la qualité de graissage.

Des recherches récentes ont montré qu’en interposant entre les surfaces en contact un film continu de l’huile, on substitue au frottement tourillon coussinet, un frottement huile sur huile de coefficient f comparable à celui des roulements à billes. On a établi que le film d’huile, qui risque d'être écrasé par la charge, se maintenait mieux si les surfaces étaient légèrement inclinées l'une sur l'autre. Un léger jeu entre arbre et coussinet permet de réaliser en marche cette inclinaison (coin d'huile dans le sens de la marche).

Dans la réalisation Michell, la surface active augmentée par la fragmentation du coussinet en plusieurs segments qui sont articulés autour d'une génératrice et qui s'orientent autour de l'arbre en aidant la formation du film d'huile et en l’alimentant par des canaux d'arrivée.
                                                         

Conclusions :

• Les supports étant en fonte ordinaire, il y a avantage à intercaler entre arbre et support un coussinet en une ou deux parties en bronze, fonte douce, ou fonte antifrictionnée ;

f = 0,18 environ ; f’ = 0,07 environ.

• La longueur de ce coussinet l dépend de la charge supportée :  
  
  
  S = l . d , d'où: l = F / pd.   
  
  Pratiquement, l varie suivant les séries de paliers de 1,5 à 3d ; 
  
   
• Le portage de l'arbre doit être soigné afin que S ne diminue pas. Pour cela, les coussinets ont intérêt à être articulés dans le support de manière à suivre minutieusement toutes les déformations de l'arbre ;
  
  
  
• L’huile doit être répartie sur l'arbre soit par des canaux de distribution creusés dans le coussinet, appelés pattes d'araignée, soit, pour les fortes charges, par graissage forcé dans des supports étanches : la pression soulevant le tourillon au départ ;
  
  
  
• L'amorçage du film d’huile est obtenu par un chanfrein à 30° prévu, à l'intérieur du coussinet inférieur, sur la génératrice du plan de joint. Les pattes d'araignée interrompant le film d'huile, il vaut mieux ne pas en faire dans le coussinet inférieur.

 

Pivots :

Lorsqu'un arbre subit une poussée axiale importante due à la traction oblique d'une courroie, à la poussée d'un engrenage conique, ou au poids des organes (cas d'un arbre vertical), il doit s'appuyer par une de ses extrémités, sur une partie du support sur laquelle il pivote. La réduction du rayon du pivot diminue l'énergie perdue par frottement, mais augmente la pression unitaire entre les surfaces; le maintien du film d’huile est très difficile et l’usure très grande. La pression unitaire moyenne à ne pas dépasser est de 1500 N/cm² pour l'acier trempé sur l'acier trempé.

Conclusions :

• Il faut interposer entre arbre et support des grains en acier dur trempé pour éviter leur écrasement et leur usure ;
  
  
• Ces grains doivent être évidés au centre et rainurés en croix pour assurer la distribution de l'huile ;
  
  
• On doit chercher à créer un film d'huile en chanfreinant le bord des rainures, ou en utilisant des grains fragmentés et articulés ;
  
  
• On peut encore diminuer la pression unitaire en augmentant la surface de contact ; c'est-à-dire en faisant un arbre cannelé s'appuyant sur de multiples cannelures correspondantes du coussinet. Dans ce cas, il est toujours difficile de bien faire porter tous les collets.

Roulements :

Généralités :

L'ensemble appelé roulement se compose d'une bague calée sur la pièce qui tourne, d’une bague ajustée sans jeu sur la pièce fixe, et d'une couronne de billes ou de petits cylindres appelés rouleaux, en acier très dur qui permet à la bague mobile de rouler sans glisser sur la bague fixe. L'arbre ne frotte plus comme dans les tourillons à coussinets sur un organe fixe.

Le contact des billes et des bagues se fait sur de très petites surfaces. L'échauffement et l’usure sont faibles. Le frottement de roulement est naturellement très réduit: f = 0,0015 en moyenne et permet de réaliser une grosse économie de lubrifiant.

Pour des vitesses inférieures à 2000 tr/mn, et des températures plus petites que 50°C, en garnit les paliers aux trois quarts de graisse minérale. Au-dessus de ces valeurs, le graissage à l'huile s'impose.

Le lubrifiant protège le roulement de l'oxydation, arrête l'entrée des poussières et évite l'échauffement. Une ou deux fois par an, il suffit de changer la graisse après nettoyage des organes à l'essence.

Les roulements permettent de supporter des arbres tournant à de très grandes vitesses. La charge admissible pour un même roulement décroît lorsque la vitesse augmente.
La charge à 0 tr/mn, pour des arbres ne faisant que de faibles mouvements oscillants (crochets), est limitée pour tenir compte des déformations de la matière.

Les rouleaux supportent des charges plus élevées que les billes et sont à préconiser pour les arbres dépassant 110 mm de diamètre, ou soumis à de fortes charges avec chocs.

Classification : 

Dans les catalogues de constructeurs, on trouve différents modèles s'adaptant à l'importance et à la direction des charges appliquées.

·         Roulements radiaux pour charges perpendiculaires à l'axe de rotation ;

ü  Roulement rigide à une ou deux rangées de billes.
Les billes ou les rouleaux se montent en excentrant les deux bagues puis en ajoutant un besoin les deux dernières au moyen d’encoches. Les billes sont régulièrement maintenues écartées par une cage en tôle d'acier ou en bronze ;

ü  Roulement à rotule. Seul le chemin de roulement extérieur est à rotule, il permet à la bague intérieure, donc à l'arbre, de prendre une orientation variable. Employé avec manchon conique, ce roulement a l'avantage de pouvoir se fixer très facilement sur un arbre lisse, car il est ainsi automatiquement calé en translation. Dans ce cas, il faut le disposer de préférence dans un sens tel que l'écrou se visse en sens inverse de la rotation de l'arbre. Il peut de plus supporter de faibles efforts axiaux.

 

·         Butées ou roulement pour charges axiales (parallèle à l’arbre) ;

ü  Butée plate. Pour réaliser un bon montage, il faut que les plaques soient bien perpendiculaires à l'axe ;

 

ü  Butée sphérique. La plaque fixe, à portée sphérique, repose sur une contreplaque en acier dur qui permet à l'arbre de s'orienter librement et assure une bonne répartition de la charge sur les billes. La butée à double effet supporte une charge axiale dans les deux sens.

·     Roulements pour charges obliques. Le roulement à rouleaux coniques peut supporter de grandes charges axiales et radiales. Il permet de simplifier considérablement les montages par la suppression des butées.

Montage des roulements :

Les roulements sont chers, ils fonctionnent parfaitement bien s'ils sont judicieusement choisis et correctement montés ; pour cela :

·      Il faut éviter de les employer dans des atmosphères dont la température s'abaisse au-dessous de -20°C, pour dépasse 150°C ;

·      Les portées et les logements des roulements doivent être parfaitement dressé et de préférence rectifiés ;

·      Les billes doivent être préservées des poussières, soit par des rondelles de feutre, soit par des joints en chicanes ;

·     Le montage doit être réalisé de manière que lors du déplacement axial de l'arbre dû aux dilatations ou aux efforts axiaux, les bagues puissent rester en regard et ne pas coincer les billes ;

ü  Arbre tournant (cas des paliers). La bague intérieure K5, monté serrée sur l'arbre (ajustement j5 à m5), est bloquée en translation. La bague extérieure h5, ajustée à frottement doux (ajustement H7 ou H6), se centre elle-même sur la bague fixe grâce à un jeu latéral de 2 à 3 mm. Comme d'autre part il faut que l'arbre soit maintenu dans le sens longitudinal, un des roulements seulement par arbre doit avoir sa bague mobile bloquée latéralement dans son logement, avec un jeu de 0,1mm environ (généralement par une bague d'arrêt rapportée) ;

 

ü  Arbre fixe (cas des poulies folles, roues d'auto, de wagonnet). Les roulements sont généralement employés par groupe de deux. Les bagues extérieures sont montées serrées dans leur logement (ajustement M7) et arrêtées en translation sans être bridées (jeu de 0.15mm) de manière que la pièce mobile ne puisse se déplacer latéralement. Les bagues intérieures, arrêtées en translation sur l'arbre, sont glissées à frottement doux, à condition que la direction de la charge soit constante (ajustement g6 ou h6), sauf bien entendu si elles sont montées sur manchon conique (ajustement H7h7).

Nota : Les roulements sont livrés avec des tolérances telles que l'on peut admettre en moyenne que la bague intérieure est un alésage K5 et la bague extérieure un arbre h5.

Fabrication des roulements :

Les roulements sont fabriqués par des usines spécialisées qui les livrent tous le montés avec une précision de +1 micron sur les dimensions des billes et des bagues. Les billes se font en acier dur et élastique au chrome. Elles sont matricées, meulées, trempées, revenues, rectifiées puis polies dans des tonneaux de finissage et enfin calibrées et triées par rebondissement. Les bagues également en acier au chrome, sont décolletées dans la barre, trempées, revenues, rectifiées et polies.

Choix d'un roulement :

Les roulements sont choisis dans les catalogues de constructeur en tenant compte de :

• Leur encombrement ;
• La charge à transmettre ;
• La vitesse de l'arbre et du nombre d'heures de fonctionnement désiré.

On détermine la charge conventionnelle P= X R + Y A qui a sur le roulement la même influence que la charge axiale A et la charge radiale R, X et Y sont des coefficients caractéristiques de chaque type de roulement. Les tableaux des catalogues S.K.F. donnent la charge supportée par les roulements en tournant pendant 500h à 16 tr/mn. L’abaque et l'échelle de durée permettent de transformer la charge conventionnelle P à N tr/mn pendant H heures en une charge correspondante à 16 tr/mn, pendant 500h, ce qui permet de choisir le roulement qui convient.

Exemple : 1500 N à 250 tr/mn, pendant 4000 h équivalent à 3750 N à 16 tr/mn, pendant 4000 h.

ou à 7500 N à 16 tr/mn, pendant 500 h, autrement dit :

C16 = Cn x s x f.

s : coefficient de durée. Cn charge conventionnel à n tr/mn ;

f : coefficient de vitesse. C16 charge conventionnel à 16 tr/mn.