Roulements à billes et économie d’énergie

| Rédacteur: Jean-René Gonthier

Frottements internes et optimisation des composants Les joints

La cause principale du frottement dans un roulement à bille étanche est généralement le frottement des joints. Ce type d’étanchéité est souvent incontournable lorsque les roulements sont exposés à un niveau de contamination élevé, afin de garantir la propreté nécessaire à leur bon fonctionnement. Ces éléments sont généralement constitués d’une fine tôle enrobée d’élastomère synthétique de type NBR, HNBR ou FKM, sélectionnés en fonction de la température d’utilisation. Une ou deux lèvres flexibles sont en appui radial ou axial sur la bague opposée afin de garantir l’étanchéité. La recherche de la forme et de la précontrainte optimale offrant le meilleur compromis entre étanchéité et friction est essentielle pour augmenter le rendement. On peut atteindre jusqu’à 50% de réduction de frottement grâce à l’utilisation de joints avec un design amélioré, sans pour autant diminuer l’étanchéité. Un traitement de surface spécial est, au besoin, disponible afin de limiter le coefficient de frottement de la matière et donc de réduire la friction.

Un autre axe d’optimisation est l’optimisation de la rugosité de la surface métallique en contact. Lorsqu’il y a suffisamment de place, il est parfois possible de remplacer un joint frottant par plusieurs joints sans contact, ce qui permet de réduire significativement les pertes en garantissant l’étanchéité requise.

Fig 1. Double joints sans frottement.
Fig 1. Double joints sans frottement. (Image: Dorothée Perriard, JESA)

(Voir Figure 1)

Cisaillement du lubrifiant dans les zones de contact billes-anneaux

Le lubrifiant a pour rôle principal d’éviter un contact métal-sur-métal des billes contres les anneaux d’un roulement, en séparant les surfaces grâce à un film de faible épaisseur. Les aspérités des surfaces sont ainsi écartées et n’entrent pas en collision, ce qui permet d’améliorer de manière significative la durée de vie du produit. La lubrification la plus répandue est la lubrification à vie à la graisse qui offre une grande simplicité de mise en œuvre. Toutefois, une lubrification avec circulation d’huile est parfois nécessaire.

Fig 2. Détail des surfaces billes-anneaux dans un contact lubrifié en régime mixte. Dans ce régime un contact occasionnel des surfaces est possible.
Fig 2. Détail des surfaces billes-anneaux dans un contact lubrifié en régime mixte. Dans ce régime un contact occasionnel des surfaces est possible. (Image: Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC Taylor&Francis Group, 140)

(Voir Figure 2)

Le choix de la viscosité et du type d’huile de base est déterminant afin de garantir une épaisseur de film de lubrifiant optimale. Une viscosité trop élevée entraînera une augmentation inutile de la friction et de la température, alors qu’une viscosité trop faible provoquera un frottement de type mixte ou limite avec collision des aspérités des surfaces et réduction sévère de la durée de vie. Il n’existe pas de graisse universelle convenant à toutes les applications. Une graisse choisie sur mesure, en fonction de l’application, permettra d’optimiser l’épaisseur du film de lubrifiant et donc, d’obtenir le frottement le plus faible ainsi que la meilleure durée de vie possible.

Fig 3. Courbe de Stribeck décrivant les différents régimes de frottement.
Fig 3. Courbe de Stribeck décrivant les différents régimes de frottement. (Image: Sksana Banakh, 2010, Traitements de surface à usage tribologique, Cours FSRM)

(Voir Figure 3)

Il est possible de calculer le régime de lubrification, en tenant compte de la rugosité des surfaces, de l’épaisseur minimale du film de lubrifiant créée en fonction des charges, des vitesses relatives, de la géométrie et de la température et des caractéristiques du lubrifiant.

Formule: 3.1
Formule: 3.1 (Image: JESA)

Pour compléter ce thème
 
A propos de JESA
 
Un exemple concret

(Voir Formule 3.1)

Différentes méthodes existent pour calculer l’épaisseur minimale du film de lubrifiant dans la zone de contact.

Une des plus utilisées est celle de Hamrock et Dowson :

Formule 3.2
Formule 3.2 (Image: JESA)

(Voir Formule 3.2)

Un bon état de surface des pistes et des billes est essentiel pour assurer un facteur L > 3, sans avoir à utiliser un lubrifiant excessivement visqueux, et donc assurer une bonne durée de vie au roulement tout en limitant sa friction. Jesa SA est équipé de machines de dernière génération, permettant d’effectuer un usinage de finition de très haute qualité et d’atteindre d’excellents états de surface.

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