Comprendre comment les roulements à billes réduisent la friction dans les machines pour de meilleures performances

Un ingénieur de maintenance a récemment décrit un problème étrange. Un moteur de 15 kW sur une ligne de convoyeur continuait de fonctionner 12 K au-dessus de la température indiquée sur sa plaque signalétique. La graisse autour du joint d’arbre était décolorée et les relevés d’énergie mensuels augmentaient. Le moteur allait bien ; les roulements ne l'étaient pas. Lorsque des roulements rigides à billes de taille appropriée ont remplacé les bagues usées, la température du moteur est revenue à la normale en quelques heures. C'est à cela que ressemble la question « Comment les roulements à billes réduisent-ils la friction dans les machines » dans la vraie vie.

La réponse courte est que les roulements à billes remplacent la friction de glissement par la friction de roulement. Étant donné que le contact roulant entre les billes et les chemins de roulement a un coefficient de frottement environ un centième de celui d'une surface de glissement lubrifiée, un roulement à billes réduit considérablement les pertes par frottement. Cela se traduit par moins de gaspillage d’énergie, moins de chaleur, une usure plus lente et une durée de vie plus longue de la machine.

Pourquoi le contact roulant bat le contact coulissant

Deux surfaces qui se déplacent l’une contre l’autre génèrent une friction. Lorsque deux surfaces planes ou cylindriques glissent, la surface de contact est relativement grande et la force nécessaire pour les maintenir en mouvement dépend du coefficient de frottement entre les matériaux. Un arbre lisse tournant dans un palier lisse, même bien lubrifié, a généralement un coefficient de frottement compris entre 0,08 et 0,15. Si la lubrification tombe en panne, cette valeur monte à 0,4 ou plus.

Un roulement à billes change complètement la donne. La charge est portée par des billes en acier trempé qui roulent à l'intérieur de chemins de roulement incurvés. Au lieu de gratter une grande surface, chaque balle roule sur une petite zone de contact. C'est pourquoi le coefficient de frottement d'un roulement rigide à billes correctement lubrifié est généralement de 0,001 à 0,005, soit un à deux ordres de grandeur inférieur à celui du contact glissant.

Que se passe-t-il réellement à l’intérieur d’un roulement à billes

Pour comprendre pourquoi les roulements à billes réduisent si efficacement la friction, il est utile d’observer les pièces en mouvement. Un roulement à billes comporte quatre groupes fonctionnels : une bague intérieure, une bague extérieure, un jeu de billes et une cage. La bague intérieure est pressée sur l'arbre ; la bague extérieure se trouve dans le boîtier. Lorsque l'arbre tourne, la bague intérieure tourne et les billes roulent le long des rainures du chemin de roulement des deux bagues.

Le contact entre chaque bille et le chemin de roulement n'est pas un point unique mais une petite zone elliptique formée par déformation élastique sous charge, communément appelée contact hertzien. Même sous des charges modérées, cette zone est minuscule par rapport à la zone de contact glissant d'un palier lisse. Parce que la bille roule plutôt que glisse, la vitesse relative au contact est beaucoup plus faible et l'énergie dissipée lors du frottement diminue fortement.

Un roulement à billes n’est pas totalement sans friction. La résistance au roulement provient de l'hystérésis élastique de l'acier, du micro-glissement entre les billes et les chemins de roulement, du frottement de la cage et du cisaillement du film lubrifiant. Ces composants sont petits, mais ils sont importants dans les applications de précision. C'est pourquoi la géométrie, l'état de surface et la qualité des matériaux du roulement ont un effet direct sur la friction qu'il produit.

Facteurs qui augmentent ou diminuent la friction des roulements

La différence entre un roulement qui fonctionne bien et un roulement qui surchauffe se résume souvent à une poignée de facteurs de fonctionnement. Les comprendre aide les ingénieurs à choisir le bon roulement et à éviter les pannes prématurées.

Charge et vitesse

À mesure que la charge augmente, la zone de contact déformée augmente et la résistance au roulement augmente. La charge axiale est particulièrement influente : forcer un roulement à gorge profonde à supporter une charge de poussée continue augmente sensiblement la friction. À des vitesses plus élevées, la force centrifuge pousse les billes vers l'extérieur, ajoutant une charge interne et augmentant le couple de friction.

Lubrification

La bonne graisse maintient un film mince entre les billes et les chemins de roulement, séparant les surfaces et réduisant à la fois la friction et l'usure. Le surgraissage est une erreur courante : remplir la cavité du roulement au-delà d'environ 30 % à basse vitesse, ou 20 % à haute vitesse, provoque un barattage et augmente la température de fonctionnement.

Sceaux et boucliers

Les boucliers métalliques sans contact, désignés ZZ, empêchent l'entrée des grosses particules et n'ajoutent presque aucune friction. Les joints en caoutchouc de contact, désignés 2RS, offrent une protection plus forte contre l'humidité et la poussière fine, mais frottent contre la bague intérieure et ajoutent de la traînée. Dans les environnements humides ou soumis à un lavage, la friction supplémentaire constitue généralement un juste prix pour la protection.

Montage et précharge

Un désalignement entre l'alésage du boîtier et l'arbre, ou une déformation de la bague extérieure lors de l'installation par ajustement serré, augmente les contraintes internes et la friction. Les roulements préchargés sont intentionnellement serrés pour supprimer le jeu, améliorant ainsi la rigidité mais ajoutant de la friction. N'appliquez le préchargement que lorsque l'application le nécessite réellement.

Choisir la bonne conception de roulement

Pour la plupart des équipements rotatifs industriels, un roulement à billes à gorge profonde est le premier choix car il offre le frottement le plus faible de tous les roulements courants tout en supportant des charges radiales et axiales modérées. Il s'agit également de l'option la plus économique et la série couvre une large gamme de tailles d'alésage et de charges nominales pour les moteurs, les pompes, les boîtes de vitesses et les rouleaux de convoyeur. Dans une conception de machine typique, Roulements rigides à billes série 6200 servir de référence fiable.

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Les applications avec charge axiale continue, ou avec un modèle combiné de poussée et de charge radiale, nécessitent un roulement à contact oblique. L'angle de contact interne améliore la capacité axiale dans une direction, mais la géométrie inclinée augmente également la friction par rapport à un roulement à gorge profonde. Les concepteurs acceptent ce compromis car un roulement correctement chargé produit moins de friction qu’un roulement surchargé. Roulements à billes à contact oblique série 7000 sont le choix standard pour ces conditions.

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La sélection des matériaux ajoute une autre couche à l’histoire de la friction. La corrosion rend les chemins de roulement en acier chromé standard en quelques semaines lorsque la machine est exposée à des vapeurs chimiques, à un nettoyage par lavage, à l'eau de mer ou à une humidité élevée. Une surface rugueuse signifie une friction plus élevée, de sorte que le choix du matériau peut dominer les performances à long terme du roulement.

Ce que signifie une friction inférieure dans la pratique

Un faible frottement des roulements se manifeste de manière mesurable : une consommation d'énergie inférieure, une température de fonctionnement plus faible, une dégradation plus lente de la graisse et une durée de vie plus longue des roulements. Une règle empirique utilisée par de nombreuses équipes de maintenance est que chaque réduction de 10 K de la température des roulements double la durée de vie de la graisse et prolonge considérablement la durée de vie des roulements en fatigue. L’économie d’énergie est plus modeste mais toujours réelle. Dans une machine équipée de six ou huit roulements, la différence entre un roulement lisse à pertes élevées et un roulement à billes de qualité peut représenter plusieurs pour cent de la consommation totale de puissance du moteur.

C'est pourquoi le choix des roulements est une décision économique autant que mécanique. Les roulements avec une mauvaise géométrie, des chemins de roulement rugueux ou des billes sous-dimensionnées augmentent la friction, génèrent de la chaleur et tombent en panne prématurément. Lorsqu'un roulement tombe en panne, la pièce de rechange ne représente qu'une fraction du coût total des temps d'arrêt, de la main d'œuvre et des dommages causés aux équipements connectés.

L’environnement d’application est l’un des signaux les plus forts pour choisir la bonne famille de roulements. Dans les chaînes de transformation des aliments, les usines pharmaceutiques, les installations de traitement des eaux et les usines chimiques, les liquides de lavage et les vapeurs corrosives ruineront un roulement en acier au carbone standard en quelques semaines. Les chemins de roulement se creusent et deviennent rugueux, la friction augmente et le moteur consomme plus de courant. Dans ces conditions, la réponse pratique est un roulement en acier inoxydable avec joints de contact. Les conditions que nous prévoyons dans ces industries sont décrites dans notre notes d'application sur les produits chimiques et la galvanoplastie . Là où les normes de lavage et d'hygiène sont le facteur déterminant, Roulements rigides à billes en acier inoxydable série SS 6200 garder les chemins de roulement lisses beaucoup plus longtemps que l'acier chromé soumis à une attaque corrosive.

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Pour un aperçu plus large de la manière dont le contact roulant réduit la friction dans différentes familles de roulements, notre guide pour roulements à billes à gorge profonde et à contact oblique explique les différences en détail.

Conclusion

La friction dans les machines n'est pas un mystère, et les roulements à billes la réduisent pour une raison simple : le contact roulant dissipe beaucoup moins d'énergie que le contact glissant. Pour en tirer pleinement parti, il faut choisir le type de roulement, le matériau, le joint et la lubrification appropriés, puis l'installer sans désalignement. Lorsque toutes ces choses sont réunies, un roulement à billes fait son travail presque inaperçu, ce qui est exactement ainsi que devrait fonctionner une machine bien conçue.