Différents types de roulements et leurs applications

Un roulement est un composant mécanique qui supporte et guide une pièce rotative ou mobile, telle qu'un arbre. Il réduit la friction et permet une rotation plus douce, ce qui réduit la consommation d'énergie. Les roulements transmettent également la charge de l'élément rotatif au boîtier ou au châssis, et cette charge peut être radiale, axiale ou une combinaison des deux. De plus, les roulements limitent le mouvement des pièces dans des directions prédéfinies, garantissant ainsi stabilité et précision.

De la rotation des pédales de vélo au fonctionnement des moteurs de voiture, de la simple action d'ouvrir la porte de votre réfrigérateur au bon fonctionnement d'un moteur de ventilateur électrique, tout cela dépend de l'efficacité des roulements. Les roulements peuvent être appelés les « articulations » des machines.

Dans cet article, nous vous amènerons à observer la structure des roulements et à explorer leurs différents types disponibles. Grâce à ce guide, nous pensons que vous serez plus en confiance dans le choix des roulements adaptés à votre application spécifique.

Notions de base sur les roulements

Pour notre voyage dans le monde des roulements, nous devons d’abord nous familiariser avec leurs définitions de base, leur terminologie clé et leurs classifications. Commençons par explorer les éléments clés qui composent un roulement.

La structure des roulements

1. Bagues de roulement/Courses

1) Pour les roulements radiaux, le roulement est constitué de bagues intérieure et extérieure qui abritent les éléments roulants. Ces anneaux fournissent une structure et un guide pour le déplacement des éléments roulants.

• The bague intérieure is the part that fits onto the rotating shaft and rotates along with it.
• The bague extérieure is inserted into the housing and typically remains fixed, without rotating.

2) Pour les butées, le terme courses est utilisé.

• The course d'arbre is the one into which the shaft is inserted.
• The course au logement is the one that fits into the housing.

2. Éléments roulants

Les éléments roulants sont les pièces qui se déplacent entre les anneaux (ou courses) pour réduire la friction. Ils portent la charge et la transfèrent avec une résistance minimale. Différents types d'éléments roulants, tels que des billes ou des rouleaux, sont utilisés en fonction des conditions spécifiques des roulements, telles que la force de la force d'appui ou la vitesse de rotation.

	Balle	Roulement à billes
	Rouleau cylindrique	Roulement à rouleaux
	Rouleau à aiguilles
	Rouleau conique (trapèze conique)
	Rouleau convexe (en forme de tonneau)

3. Cage

La cage maintient les éléments roulants uniformément espacés, empêchant tout contact entre eux et assurant une rotation fluide. Vous trouverez ci-dessous les deux types de cages les plus courants.

Outre ces composants principaux, pour garantir une rotation stable et fluide, un lubrifiant est essentiel. Une lubrification adéquate prolonge la durée de vie des roulements et améliore l'efficacité. Selon les conditions de fonctionnement, les lubrifiants peuvent être à base d'huile ou à base de graisse. De plus, de nombreux roulements sont équipés de joints ou boucliers pour protéger les composants internes de la contamination par la poussière, les débris ou l'humidité, tout en aidant également à retenir le lubrifiant à l'intérieur du roulement pour des performances optimales.

Classification des roulements

Les roulements peuvent être classés selon plusieurs critères. Voici deux classifications courantes.

1. Selon le type de mouvement, les roulements peuvent être divisés en roulements et paliers lisses. Les roulements utilisent des éléments roulants pour réduire la friction. En revanche, les paliers lisses n'ont pas d'éléments roulants et reposent sur un mouvement de glissement entre les surfaces.

Ils peuvent être divisés en deux grands types : les roulements à billes et les roulements à rouleaux, en fonction de la forme de l'élément roulant. Le tableau ci-dessous présente brièvement les principales caractéristiques des deux.

Fonctionnalité	Roulements à billes	Roulements à rouleaux
Type de contact	Contact ponctuel	Contact de ligne
Capacité de charge	Capacité de charge inférieure	Capacité de charge plus élevée
Friction	Fournit un faible frottement, donc peu de perte d'énergie	Friction plus élevée que les roulements à billes mais friction globale toujours faible
Stabilité	Moins de stabilité sous de lourdes charges	Stabilité améliorée avec des vibrations réduites
Coût	Généralement plus abordable	Généralement plus cher
Applications	Convient aux applications à grande vitesse (par exemple, moteurs électriques, ventilateurs)	Idéal pour les machines lourdes et les composants automobiles (par exemple, transmissions, essieux)

2. En fonction de la direction de la charge, les roulements peuvent être divisés en roulements radiaux et butées. Les roulements radiaux sont conçus pour supporter des charges radiales perpendiculaires à l'axe de rotation. Les paliers de butée, quant à eux, sont conçus pour supporter des charges axiales parallèles à l'axe de rotation.

Angle de contact pour les roulements

L'angle de contact dans les roulements est l'angle formé entre la ligne reliant les points de contact entre les éléments roulants (billes ou rouleaux) et les chemins de roulement (les bagues intérieure et extérieure), et un plan perpendiculaire à l'axe du roulement. Cet angle est essentiel pour déterminer la capacité de charge du roulement, en particulier en ce qui concerne les charges radiales et axiales.

Les roulements avec un angle de contact plus grand sont mieux adaptés à la manipulation de charges axiales (charges parallèles à l'axe du roulement) . D'un autre côté, les roulements avec des angles de contact plus petits sont plus efficaces pour les applications à charge principalement radiale.

Différents types de roulements

Sur la base des classifications des roulements abordées dans la section précédente, nous utiliserons le diagramme ci-dessus comme cadre principal pour examiner systématiquement les principaux types de roulements courants.

 1. Roulements à billes radiaux

Les roulements à billes radiaux, comme leur nom l'indique, sont des roulements à billes principalement conçus pour supporter efficacement les charges radiales (force appliquée perpendiculairement à l'arbre). Généralement, ils ont un angle de contact inférieur à 15°. Les roulements à billes radiaux ont de nombreux sous-types. Ici, nous nous concentrons sur trois courants.

Roulements à billes à gorge profonde

• Le type de roulements le plus couramment utilisé, généralement installé comme une seule unité, ce qui les rend relativement faciles à installer et nécessitant un entretien minimal.

• Les bagues intérieure et extérieure comportent des rainures profondes en forme de chemin de roulement qui permettent au roulement de supporter simultanément des charges radiales et une quantité limitée de charges axiales provenant des deux directions.

Applications : bien adapté aux applications avec des charges principalement radiales et un support axial modéré, offrant une vitesse et une polyvalence élevées. Ils sont couramment utilisés dans les moteurs électriques, les ventilateurs, les soufflantes, les outils électriques et les appareils électroménagers.

Roulements à billes à contact oblique

• Les chemins de roulement des bagues intérieure et extérieure sont inclinés par rapport à l'axe du roulement, créant un angle de contact généralement compris entre 15° et 45°. Néanmoins, dans de nombreuses applications techniques et industrielles, les roulements à billes à contact oblique sont classés comme un sous-ensemble des roulements à billes radiaux. Cette configuration leur permet de supporter des charges axiales plus importantes dans une direction en plus des charges radiales.

• Ils peuvent être disposés par paires (dos à dos, face à face ou tandem) pour supporter les charges axiales dans les deux directions et améliorer la rigidité.

Applications : Utilisé dans les situations où des charges radiales et axiales combinées se produisent, en particulier lorsqu'une capacité de charge axiale et une précision plus élevées sont requises. On les trouve couramment dans les pompes, les compresseurs, les composants automobiles, les broches d'outils d'usinage CNC, les robots industriels et les machines de précision.

Roulements à billes à auto-alignement

• Les roulements à billes à alignement automatique comportent deux rangées de billes, qui offrent une meilleure stabilité et une capacité de charge plus élevée que les roulements à une rangée.

• La bague extérieure est sphérique, permettant à la bague intérieure, à la cage et aux billes de s'incliner librement à l'intérieur du roulement. Cette fonctionnalité permet au roulement de s'ajuster automatiquement pour compenser le désalignement causé par des erreurs de montage ou la flexion de l'arbre, améliorant ainsi l'efficacité, réduisant l'usure et prolongeant la durée de vie du roulement.

• Ces roulements sont principalement conçus pour supporter des charges radiales, mais peuvent également supporter de légères charges axiales.

Applications : Évalué dans les situations où les problèmes de déflexion ou d'alignement de l'arbre sont courants, comme dans les systèmes de convoyeurs, les laminoirs d'acier et les machines agricoles.

2. Roulements à rouleaux radiaux

Radial roller bearings are roller bearings that can support a force perpendicular to the shaft. They can support an even greater load than radial ball bearings, and there are four major bearing types that are made to suit the type of roller.

Roulements à rouleaux cylindriques

• Utilisez des rouleaux cylindriques comme éléments roulants, les rouleaux établissant un contact linéaire avec les chemins de roulement. Cette conception leur permet de supporter des charges radiales beaucoup plus lourdes que les roulements à billes.

• Ils ont un faible coefficient de frottement et conviennent aux applications à très grande vitesse. Leur vitesse de fonctionnement maximale est juste derrière celle des roulements à billes à gorge profonde.

• Ils sont disponibles en types à une rangée, à deux rangées et à complément complet, et sont également disponibles en variantes divisées pour faciliter l'installation et le démontage.

Applications : Couramment utilisé dans les environnements à grande vitesse et à fortes charges radiales tels que les arbres de transmission, les laminoirs et les équipements miniers.

Roulements à aiguilles

• Comme leur nom l’indique, les roulements à aiguilles ont des rouleaux longs et fins ressemblant à des aiguilles. Cette conception leur permet de supporter des charges radiales élevées tout en restant compacts et légers.

• Dans de nombreuses applications, les roulements à aiguilles sont utilisés sans bague intérieure ou extérieure, en particulier lorsque l'espace est limité et que la réduction du poids est importante. Dans de tels cas, l’arbre et le boîtier font office de chemins de roulement. Ces surfaces doivent être usinées avec une haute précision et avoir un niveau de dureté similaire à celui d'un chemin de roulement standard pour garantir des performances appropriées.

Applications : On les trouve généralement dans les zones à espace radial limité, telles que les moteurs à combustion interne, les motos, les composants aérospatiaux et la robotique.

Roulements à rouleaux coniques

• Ces roulements comportent des rouleaux coniques qui s'insèrent entre des bagues en forme de sections d'un cône creux. S'ils étaient étendus, les axes et les courses des rouleaux se rencontreraient en un point commun.

• Leur conception conique leur permet de supporter des charges axiales plus élevées en plus des charges radiales. La quantité de charge axiale qu'ils peuvent supporter dépend de l'angle de contact ; un angle plus grand augmente la capacité de charge axiale.

• Ils peuvent être classés en rangées simples, doubles et quatre rangées, ainsi que d'autres types différents en fonction du nombre de rouleaux installés.

Applications : Convient aux moyeux de roues automobiles, aux boîtes de vitesses, aux équipements de construction et aux machines de précision où la rigidité et la stabilité sont essentielles.

Roulements à rouleaux sphériques

• Doté de rouleaux en forme de tonneau qui s'adaptent à un chemin de roulement extérieur sphérique, offrant une plus grande zone de contact pour supporter de lourdes charges radiales.

• La conception sphérique du chemin de roulement extérieur permet au roulement de s'auto-aligner, corrigeant automatiquement tout désalignement entre l'arbre et le boîtier.

• Ils peuvent supporter de lourdes charges radiales et des charges axiales modérées dans les deux sens.

Applications : Applications lourdes où il existe des charges radiales et axiales, ainsi qu'un désalignement potentiel de l'arbre. Les utilisations courantes comprennent les équipements de construction, les machines minières, les grandes boîtes de vitesses industrielles, les usines de pâtes et papiers et les éoliennes.

3. Roulements de poussée à billes

• In contrast to radial ball bearings, thrust ball bearings are a special type of ball bearing with a 90
  ° contact angle, designed to withstand only axial loads.

• Ils sont disponibles dans des configurations unidirectionnelles ou doubles, selon que la charge est unidirectionnelle ou bidirectionnelle.

Applications : je m'adresse aux applications dans lesquelles des charges axiales sont appliquées le long de l'arbre à des vitesses de rotation modérées, comme dans les embrayages automobiles, les boîtes de vitesses, les tables rotatives et les systèmes de direction.

4. Roulements à rouleaux de poussée

• Les butées à rouleaux sont conçues pour supporter des charges axiales élevées et se déclinent en trois types de rouleaux : cylindriques, coniques et sphériques.

• Butées à rouleaux cylindriquesoffer good axial load capacity with minimal radial support and are relatively cheap.

• Butées à rouleaux coniquescan accommodate slight misalignment during operation and support varying axial and radial loads depending on the cone angle. They carry greater thrust loads than thrust ball bearings but are more expensive to produce.

• Sroulements à rotule sur rouleaux are designed to take heavy axial loads in one direction and accommodate some radial loads as well. They are self-aligning and are thus unaffected by mounting errors and shaft deflection.

Applications : Ces roulements sont utilisés dans des environnements à forte charge tels que les boîtes de vitesses, les machines lourdes et les systèmes de propulsion marins, où des charges axiales et radiales peuvent être présentes.

5. Roulements lisses

• Les roulements lisses sont le type de roulement le plus simple, fonctionnant par contact direct entre la surface du roulement (également appelée bague ou manchon) et l'arbre, sans aucun élément roulant.

• Ils comptent sur la lubrification pour réduire la friction et l’usure entre les surfaces. Pour garantir un mouvement fluide, des matériaux à faible coefficient de frottement, comme divers alliages de cuivre, sont couramment utilisés.

•  Les roulements lisses conviennent aux mouvements de rotation, de glissement, d'oscillation et de mouvement alternatif. Ils sont légers, économiques et silencieux.

Applications : Idéal pour les applications à faible vitesse et à charge lourde avec un désalignement ou une oscillation potentielle, telles que les grues industrielles et les machines agricoles.

6. Roulements fluides

• Les roulements fluides fonctionnent en créant un mince film de fluide entre le boîtier et la surface rotative. Ce film sépare les pièces mobiles, empêchant le contact direct métal sur métal, ce qui réduit l'usure et prolonge la durée de vie du roulement. l'hydrostatique et l'hydrodynamique sont deux types de roulements de cette catégorie.

• In roulements hydrostatiques, the fluid film is maintained by an external pump that supplies pressurized fluid (usually oil or air) into the bearing, ensuring a continuous film, even at low or zero speeds.. This allows hydrostatic bearings to support heavy loads and maintain low friction under various operating conditions.they also offer precise control, making them an excellent choice for machining spindles, gas turbines, and aircraft control systems, where stability and precision are crucial.

•  Roulements hydrodynamiques rely on the shaft’s motion to create the fluid film. As the shaft rotates, it pulls the fluid into the gap between the surfaces, generating pressure and forming the lubricating film that supports the load. Hydrodynamic bearings are suited for moderate to high-speed applications, such as pumps, turbines, marine systems, and industrial equipment.

7. Roulements magnétiques

• Ces roulements utilisent des champs électromagnétiques pour faire léviter et stabiliser l'arbre rotatif, lui permettant de fonctionner sans contact physique. Cela élimine la friction et l'usure, permettant un fonctionnement pratiquement sans entretien. Ils sont globalement classés en deux types : roulements magnétiques actifs et passifs.

• Paliers magnétiques actifs (AMB)use electromagnets and sensors to continuously monitor and adjust the shaft's position in real-time. A control system processes sensor data and adjusts magnetic forces to maintain stability. AMBs are highly precise and can support very high speeds, making them suitable for advanced industrial applications.

•  Roulements magnétiques passifs rely on permanent magnets to support the load. They are simpler and do not require a control system or external power source but offer less control and flexibility compared to AMBs. Passive magnetic bearings are often used in applications where simplicity and reliability are more important than precision.

Applications : Les roulements magnétiques sont idéaux pour les applications nécessitant des vitesses élevées, une précision et un entretien minimal, telles que les turbomachines, les systèmes énergétiques et les équipements médicaux.

Considérations lors du choix d'un roulement en métal

1. Charger

1) Si la charge est majoritairement radiale (perpendiculaire à l'arbre), utilisez un roulement radial ; si la charge est majoritairement axiale (dans le même sens que l'arbre), utilisez une butée. La charge axiale est également appelée charge de poussée.  

2) Si la charge du roulement est légère, utilisez un roulement à billes ; si la charge est lourde, utilisez un roulement à rouleaux.  

3) Si des charges radiales et axiales sont appliquées simultanément (charge combinée), une charge combinée légère nécessite un roulement à billes à gorge profonde ou un roulement à billes à contact oblique, tandis qu'une charge combinée lourde nécessite un roulement à rouleaux coniques.

4) Si une charge axiale importante est appliquée dans les deux directions, vous pouvez combiner deux roulements ou plus, ou utiliser un roulement à double rangée.

2. Vitesse de rotation

1) De manière générale, pour les applications à grande vitesse, les roulements à billes à gorge profonde, les roulements à contact oblique et les roulements à rouleaux cylindriques sont des choix appropriés. Pour les conditions de vitesse inférieure, les roulements à rouleaux coniques et les butées à billes sont appropriés.

2) Pour un même type de roulements, plus la taille est petite, plus la vitesse autorisée est élevée. Lors de la sélection d'un roulement, assurez-vous que la vitesse de fonctionnement se situe dans la vitesse limite du roulement pour éviter tout dommage.

3) Notez que la vitesse limite du roulement est affectée non seulement par le type et la taille du roulement, mais également par des facteurs tels que sa tolérance, le type et le matériau de la cage, le type et la quantité de lubrifiant, la méthode de lubrification, etc. sur. Pour cette raison, si vous avez l'intention d'utiliser un roulement à une vitesse de rotation élevée, veuillez consulter Chiggo avant de prendre votre décision.

3. Précision

1) Les normes ISO et d'autres définissent des tolérances spécifiques à la fois pour la précision des dimensions limites (qui concerne l'ajustement et l'installation du roulement) et la précision de fonctionnement (qui fait référence à la précision de le mouvement de rotation du roulement) dans chaque classe de précision.

2) Pour la plupart des applications générales, les roulements de classe 0 suffisent à fournir des performances adéquates.

3) Pour les applications nécessitant une grande précision en matière de faux-rond, des roulements de précision de classe 5, 4 ou 2 doivent être utilisés.

4. Rigidité

1) La rigidité d'un roulement fait référence à sa capacité à résister à la déformation sous charge. Il est directement influencé par la zone de contact et le jeu interne au sein du roulement. La plus grande zone de contact (contact linéaire) des roulements à rouleaux répartit la charge sur une surface plus large, offrant ainsi une plus grande rigidité par rapport aux roulements à billes à contact ponctuel.

2) Les roulements tels que les roulements à billes à contact oblique et les roulements à rouleaux coniques peuvent ajuster leurs angles de contact ou être disposés dans des configurations telles que dos à dos (DB) ou face à face (DF) pour augmenter la rigidité. Il est important de noter que la configuration DB offre généralement une rigidité plus élevée que la configuration DF.

3) Le jeu interne (l'espace entre les éléments roulants et les chemins de roulement) affecte également la rigidité. Un jeu plus petit permet à davantage d'éléments roulants d'entrer en contact avec le chemin de roulement, augmentant ainsi la zone de contact et donc la rigidité du roulement.

4) Appliquer une preload pour réduire légèrement le jeu interne une valeur négative garantit que tous les éléments roulants sont en contact uniforme avec les chemins de roulement. Ce contact uniforme minimise les variations de déformation élastique de chaque élément roulant, conduisant à une répartition plus uniforme de la charge et à une rigidité accrue. Cependant, le niveau de précharge doit être soigneusement réglé pour éviter des effets négatifs tels qu'une durée de vie réduite, une augmentation de la température ou une défaillance potentielle des roulements (grippage).

5. Autres

1) Contraintes d'espace radial : Si l'espace radial disponible est limité, sélectionnez des roulements conçus pour des environnements compacts, tels que des roulements à aiguilles ou des ensembles de rouleaux à aiguilles et de cage.

2) Niveaux de vibrations et de bruit : Pour les applications soumises à des exigences strictes en matière de vibrations et de bruit, telles que l'électronique grand public ou les équipements audio, les roulements à billes à gorge profonde sont un bon choix.

3) Conditions environnementales : Pour les environnements difficiles (par exemple, conditions poussiéreuses, corrosives ou humides), utilisez des roulements scellés, blindés ou fabriqués à partir de matériaux résistants à la corrosion (tels que l'acier inoxydable ou des roulements revêtus). ) pour protéger contre les contaminants et assurer la durabilité.

4) Lubrification et maintenance : dans les applications où l'accès à la maintenance est difficile, choisissez des roulements étanches ou autolubrifiants qui retiennent la lubrification pendant de longues périodes, réduisant ainsi le besoin d'entretien fréquent et minimisant les temps d'arrêt.

5) Installation et alignement : Un désalignement autorisé est essentiel lors de la sélection des roulements. Les roulements à billes à auto-alignement sont conçus avec un chemin de roulement à bague extérieure sphérique, ce qui leur permet de s'adapter à des désalignements angulaires mineurs (1 à 2 degrés), ce qui les rend adaptés aux applications avec une déviation ou un désalignement potentiel de l'arbre.

D'un autre côté, les roulements à rotule sur rouleaux, à rouleaux cylindriques ou sphériques, peuvent gérer des désalignements plus importants (2 à 3 degrés ou plus). Cette capacité est particulièrement avantageuse dans les applications soumises à une déflexion importante de l'arbre, à une dilatation thermique ou à des conditions de fonctionnement dynamiques. 

Conclusion

Les roulements mécaniques sont des composants essentiels des équipements rotatifs et des ensembles mécaniques. Ils aident à supporter les forces opérationnelles, à réduire la friction et à garantir un fonctionnement fluide et efficace.

Lors de la sélection du bon type de roulement, vous devez prendre en compte des facteurs tels que la capacité de charge, les vibrations, le bruit, la taille, entre autres. De nombreux autres détails peuvent également influencer votre décision. Si vous ne savez toujours pas quel roulement correspond le mieux à vos besoins, n'hésitez pas à consulter nos ingénieurs pour obtenir des conseils d'experts.