Que sont les roulements à billes à contact oblique et comment fonctionnent-ils, types et applications ?

Principe de fonctionnement des roulements à billes à contact oblique

Comprendre le principe de fonctionnement de les roulements à billes à contact oblique commencent avec l'angle de contact, car c'est ce paramètre géométrique qui contrôle fondamentalement toutes les autres caractéristiques de performance du roulement. Dans un roulement à billes à gorge profonde standard, le contact entre la bille et les deux chemins de roulement est approximativement radial, ce qui signifie que la ligne de transfert de charge entre le point de contact du chemin de roulement intérieur, le centre de la bille et le point de contact du chemin de roulement extérieur est presque perpendiculaire à l'axe du roulement. La géométrie du chemin de roulement dans un tel roulement résiste efficacement aux charges radiales mais offre une résistance limitée aux charges axiales car la géométrie de contact bille-chemin de roulement ne présente pas une grande surface projetée dans la direction axiale pour résister à la force axiale.

L'importance de l'angle de contact

Dans conception de roulement à contact oblique , les rainures intérieures et extérieures du chemin de roulement sont positionnées de manière asymétrique le long de l'axe du roulement, créant un décalage entre les plans centraux des rainures intérieure et extérieure. Lorsqu'une bille repose dans ces rainures décalées, la ligne reliant ses points de contact de chemin de roulement intérieur et extérieur est inclinée selon l'angle de contact par rapport au plan radial. Cette inclinaison signifie que la capacité de charge du roulement est répartie entre les directions radiale et axiale en fonction de l'angle de contact : à mesure que l'angle de contact augmente, la proportion de la capacité de charge disponible du roulement dans la direction axiale augmente tandis que la capacité de charge radiale diminue proportionnellement.

Plus précisément, pour un roulement avec un angle de contact alpha, la capacité de charge axiale est proportionnelle à sin(alpha) et la capacité de charge radiale est proportionnelle à cos(alpha). À un angle de contact de 15 degrés, sin(15°) est égal à 0,259 et cos(15°) est égal à 0,966, indiquant un roulement principalement optimisé pour les charges radiales avec une capacité axiale modérée. À un angle de contact de 40 degrés, sin(40°) est égal à 0,643 et cos(40°) est égal à 0,766, ce qui indique une proportion sensiblement plus élevée de capacité de charge dans la direction axiale. L'angle de contact de 40 degrés est la sélection standard pour les applications où les charges axiales sont le principal facteur de conception, telles que les broches de machines-outils fonctionnant sous de fortes forces de coupe dans une direction, ou les butées d'actionneurs à vis.

Dansternal Raceway Displacement Along the Bearing Axis

Le décalage entre les plans centraux des rainures intérieure et extérieure dans un roulement à billes à contact oblique signifie que la ligne d'action de la force de roulement résultante traverse le roulement en un point sur l'axe du roulement qui est décalé du centre géométrique du roulement. Ce point d'application de charge déplacé est appelé centre de pression ou centre de charge effectif du roulement. Pour les roulements à billes à contact oblique à une rangée, le centre de pression est situé en dehors de la largeur du roulement, du côté à partir duquel la charge axiale agit. Ce déplacement du centre de pression a des conséquences importantes sur la conception des montages de roulements, en particulier dans les configurations de roulements appariés, car la séparation entre les centres de pression de deux roulements dans un système détermine la portée effective du roulement et donc la rigidité du système et les réactions de moment induites sur l'arbre.

Manutention combinée de charges radiales et axiales

Les roulements à billes à contact oblique supportent des charges combinées grâce à l'inclinaison de la ligne de charge de contact entre chaque bille et ses chemins de roulement. Lorsqu'une charge radiale et axiale combinée est appliquée au roulement, la force résultante au niveau de chaque point de contact entre la bille chargée et le chemin de roulement comporte des composantes radiales et axiales qui sont résolues par la géométrie de contact inclinée. La capacité du roulement à supporter des charges combinées est quantifiée par la charge dynamique équivalente, qui est une charge calculée sur un seul axe qui produit la même durée de vie en fatigue du roulement que la charge combinée réelle. La charge dynamique équivalente P est calculée comme P = X × Fr Y × Fa, où Fr est la charge radiale, Fa est la charge axiale et X et Y sont des facteurs de charge radiale et axiale qui dépendent de l'angle de contact et du rapport entre la charge axiale et radiale. Pour un angle de contact de 40 degrés dans des conditions de charge axiale pure, le facteur Y approche 0,6, ce qui signifie que la capacité de charge axiale est d'environ 67 % de la charge dynamique de base C, nettement supérieure au facteur Y d'environ 1,0 pour un roulement à angle de contact de 15 degrés.

Types de roulements à billes à contact oblique

Roulements à billes à contact oblique sont produits dans plusieurs configurations structurelles, chacune optimisée pour différentes combinaisons de direction de charge, de contraintes d'espace et d'exigences de montage. Comprendre les caractéristiques de chaque type est essentiel pour sélectionner le roulement approprié pour une application spécifique.

Roulements à billes à contact oblique à une rangée

Le roulement à billes à contact oblique à une rangée est la configuration fondamentale et la plus largement utilisée dans la famille des roulements à contact oblique. Il se compose d'une seule rangée de billes fonctionnant dans des rainures intérieures et extérieures décalées, avec une cage pour maintenir l'espacement des billes et l'angle de contact caractéristique qui définit sa répartition de capacité de charge. Les principales caractéristiques des roulements à billes à contact oblique à une rangée sont :

• Capacité haute vitesse : Le low mass and well defined contact geometry of the single row design, combined with precision manufacturing tolerances, allow operation at very high rotational speeds. The speed limit of a single row angular contact ball bearing is expressed as the product of the bore diameter in millimeters and the speed in rpm (the DN value), with values up to 3 million DN achievable in precision grade oil lubricated designs.
• Capacité de charge axiale unidirectionnelle : Un roulement à billes à contact oblique à une rangée peut supporter des charges axiales dans une seule direction : la direction qui charge les billes contre l'épaulement supérieur du chemin de roulement extérieur (ou du chemin de roulement intérieur, selon l'orientation du roulement). Si l'application nécessite un support de charge axiale dans les deux directions, deux roulements à une rangée doivent être utilisés par paire, ou un autre type de roulement doit être sélectionné.
• Précision et rigidité : Les roulements à billes à contact oblique à une rangée sont fabriqués dans des grades de précision (ABEC 5, 7 et 9 ou ISO P5, P4 et P2) qui offrent la précision dimensionnelle et la précision de fonctionnement requises pour les applications de broches de précision. Lorsqu'ils sont correctement préchargés par paire, ils offrent une rigidité et une précision de positionnement exceptionnelles.

Étant donné que le roulement à billes à contact oblique à une rangée ne peut supporter des charges axiales que dans une direction, il doit être associé à un autre roulement dans pratiquement toutes les applications pratiques. Trois arrangements d'appariement standard sont utilisés :

• Disposition dos à dos (DB) : Le two bearings are mounted with their high shoulders facing away from each other (back to back). This arrangement results in a wide effective span between the pressure centers, providing high tilting moment resistance and making the arrangement suitable for applications where overhanging loads create significant bending moments on the shaft.
• Disposition face à face (DF) : Le two bearings are mounted with their high shoulders facing each other (face to face). This arrangement results in a narrow effective span and is more tolerant of shaft misalignment than the DB arrangement, making it suitable for shafts that may deflect under load or where mounting accuracy is limited.
• Disposition tandem (DT) : Les deux roulements sont montés avec la même orientation, de sorte que leurs capacités de charge axiale s'additionnent dans une direction. Cet agencement est utilisé lorsqu'un seul roulement est insuffisant pour supporter la charge axiale requise dans une direction, et un deuxième roulement est ajouté en tandem pour doubler la capacité de charge axiale. L'agencement tandem ne peut pas supporter de charges axiales dans la direction opposée et doit être combiné avec un autre roulement pour assurer une contrainte axiale dans les deux sens.

Roulements à billes à contact oblique à double rangée

Le roulement à billes à contact oblique à deux rangées intègre deux rangées de billes dans une seule enveloppe de roulement, combinant efficacement deux roulements à une seule rangée dans un agencement dos à dos ou face à face au sein de la même bague extérieure et du même alésage. Cette conception offre des avantages significatifs dans les applications où les contraintes d'espace empêchent l'utilisation de deux roulements séparés à une seule rangée, ou lorsque la simplicité d'un seul roulement est souhaitable pour faciliter l'installation et réduire la complexité de l'assemblage. Le roulement à billes à contact oblique à double rangée supporte intrinsèquement des charges axiales dans les deux sens, car ses deux rangées sont orientées avec des angles de contact opposés. En termes d'efficacité spatiale, un roulement à billes à contact oblique à double rangée permet généralement d'économiser 30 à 40 % de l'espace axial requis pour deux roulements séparés à une rangée de capacité équivalente, ce qui en fait le choix préféré pour les conceptions de broches compactes et les roulements d'instruments où les dimensions d'enveloppe sont critiques.

Roulements à billes à contact oblique à quatre points de contact

Roulements à billes à contact oblique à quatre points de contact utilisez une conception de chemin de roulement unique dans laquelle chaque bille entre en contact simultanément avec les chemins de roulement intérieur et extérieur en deux points, créant quatre points de contact par bille (deux sur le chemin de roulement intérieur et deux sur le chemin de roulement extérieur). Cette conception est obtenue en utilisant un profil de chemin de roulement en arc gothique avec un rayon de courbure légèrement inférieur au rayon de la bille, créant deux points de contact séparés sur chaque surface du chemin de roulement plutôt que le contact central unique d'une rainure en arc de cercle standard. La conception à quatre points de contact permet à un roulement à une rangée de supporter des charges axiales dans les deux sens simultanément, ce que les roulements à billes à contact oblique à une rangée standard ne peuvent pas réaliser, tout en conservant une enveloppe axiale très compacte. La capacité de charge axiale d'un roulement à contact à quatre points par unité de largeur axiale est nettement supérieure à celle d'un roulement à billes à contact oblique standard à une rangée de même alésage et diamètre extérieur, ce qui fait de cette conception le choix préféré pour les couronnes d'orientation, les roulements de plateau tournant et d'autres applications où des charges axiales élevées dans les deux sens doivent être supportées dans une section transversale mince. La limitation de la conception de contact à quatre points est que le contact simultané à deux points sur chaque chemin de roulement génère des contraintes internes plus élevées à chaque point de contact et produit plus de chaleur à des vitesses de rotation élevées, limitant la vitesse nominale maximale par rapport aux conceptions standard à une rangée.

Séries de produits de roulements à billes à contact oblique : 7000, 7200 et 7300

Le dimensional series designation system for angular contact ball bearings follows the ISO bearing designation framework in which the first digit of the bearing number indicates the dimensional series (the relationship between bore diameter and outer diameter) and the contact angle is specified separately. The three main standard series for angular contact ball bearings in general industrial and precision applications are the 7000, 7200, and 7300 series, which represent light, medium, and heavy dimensional series respectively.

Roulements à billes à contact oblique série 7000 sont des roulements à une rangée de haute précision et à grande vitesse, conçus avec un petit angle de contact, généralement d'environ 15 degrés, ce qui les rend idéaux pour les applications où la vitesse et la précision sont plus critiques que la capacité de charge. Leur géométrie interne optimisée réduit la friction et la génération de chaleur, permettant des performances stables à des vitesses de rotation très élevées tout en conservant une excellente rigidité et stabilité dimensionnelle. Grâce à une fabrication de précision et à des matériaux de haute qualité, ces roulements fonctionnent avec peu de vibrations et de bruit, ce qui les rend particulièrement adaptés aux broches de machines-outils CNC, aux moteurs de précision, aux instruments médicaux et aux systèmes d'automatisation à grande vitesse où le bon fonctionnement et la précision sont essentiels.

Roulements à billes à contact oblique série 7200 sont conçus avec un angle de contact plus grand, généralement entre 20 et 30 degrés, offrant une performance équilibrée entre la capacité de charge axiale et radiale. Cette conception permet aux roulements de supporter des charges axiales importantes dans les deux sens tout en conservant la stabilité dans des conditions de vitesse élevée. Avec une forte rigidité, une dilatation thermique contrôlée et des niveaux de tolérance précis, la série 7200 fonctionne de manière fiable dans des environnements exigeants qui nécessitent à la fois précision et durabilité. Ces roulements sont largement utilisés dans les broches de machines-outils de haute précision, les moteurs industriels, les lignes de production automatisées et les systèmes robotiques où des charges combinées et des performances constantes sont requises.

Roulements à billes à contact oblique série 7300 sont conçus pour les applications lourdes, avec un grand angle de contact d'environ 30 degrés qui leur permet de résister à des charges axiales importantes et de fonctionner de manière fiable dans des conditions de charge élevée. Leur construction robuste, combinée à un acier de haute qualité et à des processus de fabrication avancés, garantit une excellente rigidité, une résistance à la fatigue et une longue durée de vie, même dans des environnements d'exploitation difficiles. Ces roulements maintiennent des performances stables à des vitesses et des températures élevées, ce qui les rend idéaux pour les grands systèmes de machines-outils, les équipements industriels lourds, les applications aérospatiales et les machines de précision qui exigent à la fois une capacité de charge élevée et une stabilité opérationnelle à long terme.

Spécifications techniques des roulements à billes à contact oblique

Roulements à billes à contact oblique sont fabriqués selon des spécifications techniques soigneusement contrôlées qui régissent leur précision dimensionnelle, leur précision de fonctionnement, leur finition de surface et leurs propriétés matérielles. Comprendre ces spécifications est essentiel pour sélectionner des roulements qui répondront aux exigences de précision et de performances des applications exigeantes.

Classes de précision : normes ABEC et ISO

Les roulements à billes à contact oblique destinés aux applications de précision sont fabriqués selon les classes de tolérance de précision définies par l'ABEC (Annular Bearing Engineers Committee) en Amérique du Nord et par l'ISO (Organisation internationale de normalisation) à l'échelle mondiale. La classe de précision définit les tolérances sur le diamètre d'alésage, le diamètre extérieur, la largeur, le faux-rond des bagues intérieure et extérieure et le faux-rond axial des faces de roulement. Les classes de précision standard par ordre croissant de précision sont :

• ABEC 1 (ISO Normal ou P0) : Précision standard pour les applications industrielles générales, adaptée à la plupart des moteurs, pompes et machines générales où la précision de positionnement n'est pas une exigence critique.
• ABEC 3 (ISO P6) : Classe de précision améliorée avec des tolérances plus strictes sur la précision dimensionnelle et la précision de fonctionnement, utilisée dans les applications nécessitant un contrôle dimensionnel supérieur au standard et un faux-rond radial réduit.
• ABEC 5 (ISO P5) : Classe de précision pour les broches de machines-outils, les moteurs de précision et d'autres applications où la précision de rotation et la répétabilité dimensionnelle sont essentielles. Les roulements ABEC 5 ont des tolérances de battement radial de l'ordre de 5 micromètres sur la bague intérieure.
• ABEC 7 (ISO P4) : Classe de haute précision pour les applications exigeantes de broches de machines-outils et d'instruments de précision. Les tolérances de faux-rond radial sont réduites à environ 2,5 micromètres et les tolérances sur l'alésage et le diamètre extérieur sont resserrées en conséquence. Les roulements à billes à contact oblique ABEC 7 et ABEC 9 sont la spécification standard pour les broches de rectifieuses de haute précision et de machines à mesurer tridimensionnelles où une précision de position inférieure au micron est requise.
• ABEC 9 (ISO P2) : Classe d'ultra précision pour les applications de gyroscope, d'instrument de précision et de broche ultra haute vitesse les plus exigeantes, avec des tolérances de faux-rond radial de l'ordre de 1 micromètre.

Matériaux de la cage : acier, laiton et polyamide

Le cage in an angular contact ball bearing maintains the circumferential spacing of the balls, guides the balls during rotation, and distributes lubricant within the bearing. Cage material selection has a significant effect on the bearing's speed capability, operating temperature range, and compatibility with different lubrication systems:

• Cage en acier embouti : Le most common cage material for standard and medium precision angular contact ball bearings. Steel cages are strong, dimensionally stable, and compatible with both grease and oil lubrication over a wide temperature range from approximately -40 degrees Celsius to 150 degrees Celsius. Their higher mass compared to polyamide cages limits their use in the highest speed applications.
• Cage en laiton (usinée) : Les cages en laiton usiné sont utilisées dans les roulements à billes à contact oblique de précision pour les broches de machines-outils et les applications à haute température. Le laiton est dimensionnellement stable, possède une bonne conductivité thermique et est compatible avec la lubrification à l'huile à des températures allant jusqu'à 200 degrés Celsius. La masse des cages en laiton est supérieure à celle du polyamide mais inférieure à celle des cages en acier de section équivalente.
• Cage en polyamide (moulée) : Dansjection molded polyamide (nylon) cages are the preferred choice for very high speed applications because their low density (approximately one seventh that of steel) significantly reduces centrifugal loading on the cage and the ball to cage contact forces at high rotational speeds. Polyamide cages are compatible with grease lubrication and non aggressive oil lubrication up to approximately 120 degrees Celsius, limiting their use in high temperature applications.

Méthodes de lubrification : systèmes à graisse ou à huile

Le lubrication system of an angular contact ball bearing has a profound effect on its operating temperature, speed limit, and service life. Two primary lubrication methods are used in practice:

• Lubrification à la graisse : Les roulements à billes à contact oblique lubrifiés à la graisse sont plus simples dans leurs exigences en matière de système de support, car ils n'ont pas besoin d'une alimentation en huile externe, d'une pompe ou d'un système de recirculation. Une graisse haute vitesse de qualité précision avec une faible viscosité d'huile de base (15 à 50 cSt à 40 degrés Celsius) et un épaississant approprié (généralement un complexe de lithium ou une polyurée) est utilisée. La lubrification à la graisse convient aux paramètres de vitesse (valeurs DN) allant jusqu'à environ 1,5 million pour les roulements à billes à contact oblique, au-delà desquels la génération de chaleur dans la graisse dépasse sa capacité à dissiper la chaleur et la graisse se dégrade rapidement. Les roulements lubrifiés à la graisse sont préremplis en usine et ne nécessitent aucun entretien de la part de l'utilisateur pendant leur durée de vie normale dans les applications typiques, atteignant généralement une durée de vie de plusieurs milliers d'heures avant qu'un regraissage ne soit nécessaire.
• Lubrification à l'huile (huile en circulation et brouillard d'huile d'air) : Pour les applications à très grande vitesse telles que les broches de meulage et les centres d'usinage de précision fonctionnant au-dessus de la limite de vitesse de la graisse, une lubrification à l'huile est requise. Deux méthodes de lubrification à l'huile sont utilisées : la lubrification par brouillard d'huile, dans laquelle un fin brouillard de gouttelettes d'huile est transporté dans le roulement par un courant d'air ; et la lubrification huile-air (également appelée lubrification à quantité minimale), dans laquelle de petits volumes d'huile dosés avec précision sont livrés au roulement à des intervalles de temps définis par un transporteur d'air comprimé. Les systèmes de lubrification air-huile peuvent supporter des valeurs DN de 2 à 3 millions dans les roulements à billes à contact oblique, soit plus du double de la limite de lubrification à la graisse, en fournissant un approvisionnement continu en huile fraîche qui élimine la chaleur des zones de contact du roulement et empêche la dégradation thermique du film lubrifiant.

Applications des roulements à billes à contact oblique

Le combination of high speed capability, precision, and combined load bearing capacity makes angular contact ball bearings the standard choice across a wide spectrum of demanding rotating machinery applications. The following sections describe the principal application areas and the specific bearing requirements each presents.

Broches de machines-outils

Les broches de machines-outils représentent le secteur d'application le plus exigeant techniquement et le plus important commercialement pour les roulements à billes à contact oblique de précision. Une broche doit simultanément atteindre une précision de rotation très élevée (pour produire des pièces de précision), fonctionner à des vitesses de rotation élevées (pour atteindre des vitesses de coupe optimales avec des outils de coupe modernes en carbure et en céramique), résister aux forces de coupe radiales et axiales combinées générées lors de l'usinage, maintenir une stabilité dimensionnelle sur une large plage de températures de fonctionnement et atteindre une durée de vie de dizaines de milliers d'heures de fonctionnement. Les roulements à billes à contact oblique répondent à toutes ces exigences lorsqu'ils sont correctement spécifiés et sont utilisés dans pratiquement tous les types de broches de machines-outils : fraisage, tournage, meulage, perçage et alésage.

Dans a typical machining center spindle, two or three angular contact ball bearings in a DB or tandem face arrangement at the front, with a single floating bearing at the rear, provide the high rigidity and high speed support required. Front bearings are preloaded to maximize stiffness; the rear bearing floats axially to accommodate thermal expansion.

Pompes et compresseurs

Les pompes centrifuges et les compresseurs utilisent des roulements à billes à contact oblique pour soutenir leurs arbres de roue contre les charges radiales et axiales combinées dues au déséquilibre du rotor, aux forces de réaction du fluide et aux différences de pression à travers la roue. Dans les pompes manipulant des fluides corrosifs, les roulements à billes à contact oblique hybrides en céramique avec billes en nitrure de silicium offrent la résistance à la corrosion requise pour un service fiable dans des environnements fluides agressifs.

Systèmes automobiles

Les roulements à billes à contact oblique remplissent des fonctions critiques dans plusieurs sous-systèmes automobiles. Dans les unités de moyeu de roue automobile (en particulier les moyeux de traction avant), les roulements à billes à contact oblique en configuration à double rangée supportent les charges radiales combinées du poids du véhicule et les charges axiales provenant des forces de virage qui peuvent représenter plusieurs fois le poids statique du véhicule sur la roue chargée. Les roulements d'alternateur automobile et de moteur de direction assistée électrique utilisent des roulements à billes à contact oblique de précision pour obtenir la combinaison d'un faible bruit, d'une longue durée de vie et de la capacité de résister aux composants de charge axiale générés par les forces des dents d'engrenages hélicoïdaux et les charges de tension de la courroie.

Moteurs et turbines à grande vitesse

Les moteurs électriques à grande vitesse, les turbines à gaz et les turbocompresseurs fonctionnent à des vitesses où seuls des roulements à billes à contact oblique de la plus haute précision et avec une lubrification optimisée assurent un service fiable. Les roulements du turbocompresseur fonctionnent avec des vitesses d'arbre allant jusqu'à 300 000 tr/min, des températures élevées du côté des gaz d'échappement et des variations de charge radiales et axiales significatives. Les roulements à billes à contact oblique spécialisés avec billes en céramique de nitrure de silicium sont devenus la norme dans les conceptions de turbocompresseurs modernes, car la masse inférieure et la dureté plus élevée des billes en céramique réduisent la charge centrifuge et les contraintes de contact, prolongeant ainsi la durée de vie de manière significative par rapport à toutes les conceptions en acier.

Sélection et entretien des roulements à billes à contact oblique

Sélection correcte de roulements à billes à contact oblique nécessite une analyse technique systématique des conditions de charge de l'application, des exigences de vitesse, des contraintes d'espace, des exigences de précision et des conditions environnementales. Une sélection incorrecte est la cause la plus fréquente de défaillance prématurée des roulements en service, et le cadre suivant couvre les étapes essentielles d'un processus de sélection judicieux.

Calcul de charge dynamique équivalente

Le fundamental starting point for angular contact ball bearing selection is the calculation of the equivalent dynamic load, which converts the actual combined radial and axial load acting on the bearing into a single equivalent radial load that can be compared with the bearing's basic dynamic load rating. The formula is P = X × Fr Y × Fa, where X is the radial load factor and Y is the axial load factor from the bearing manufacturer's catalog for the specific contact angle and load ratio. Once the equivalent dynamic load P is calculated, the basic rating life L10 (in millions of revolutions) can be determined as L10 = (C/P)^3, where C is the basic dynamic load rating. For a required service life in hours, the required load rating can be back calculated to verify that the selected bearing provides adequate fatigue life at the operating speed and load.

Méthodes de préchargement pour la rigidité

La précharge est l'application d'une force axiale interne à une paire de roulements à billes à contact oblique pour éliminer le jeu interne et créer une précharge de compression sur les éléments roulants, augmentant ainsi la rigidité de contact du système de roulement. La précharge est essentielle dans les applications de broche de précision pour maximiser la rigidité du système et minimiser la déflexion de l'arbre sous les charges de coupe. Deux méthodes de préchargement sont utilisées :

• Précharge de position (précharge rigide) : Le preload is set by controlling the axial displacement between the inner and outer rings of the bearing pair through precise spacer lengths. Positional preload provides very high and well defined stiffness but can be affected by differential thermal expansion of the shaft and housing, which can increase the preload unpredictably at elevated temperatures. Positional preload is used in high precision grinding spindles and other applications where maximum stiffness is essential.
• Précharge du ressort (précharge à force constante) : Un ressort hélicoïdal ou un ressort à disque est utilisé pour appliquer une force axiale constante à la paire de roulements, maintenant un niveau de précharge défini quelle que soit la température ou la déflexion de l'arbre. La précharge du ressort tolère mieux les changements dimensionnels pendant le fonctionnement et est préférée dans les applications où la stabilité thermique et une précharge constante sur toute la plage de températures de fonctionnement sont plus importantes que la rigidité maximale. Les niveaux de précharge des ressorts pour les roulements à billes à contact oblique dans les broches de machines-outils se situent généralement entre 50 et 500 Newtons pour les roulements de broche de précision dans la plage d'alésage de 20 à 80 millimètres, la valeur spécifique étant déterminée par le compromis entre rigidité et génération de chaleur acceptable pour l'application.

Dansstallation Best Practices

Une installation correcte est aussi importante qu'une sélection correcte pour atteindre la durée de vie attendue des roulements. Les principales pratiques d'installation des roulements à billes à contact oblique sont :

1. Manipulez les roulements de précision avec des outils propres et secs et travaillez dans un environnement propre. Même de petites particules de contamination introduites lors de l'installation peuvent provoquer une usure et une fatigue prématurées sur les surfaces des chemins de roulement aux finitions précises des roulements de précision.
2. N’appliquez jamais de force sur les éléments roulants pendant l’installation. La force de montage doit toujours être appliquée à la bague de roulement qui est ajustée à la presse. Pour un ajustement serré sur l'arbre, appliquez une force de montage sur la bague intérieure. Pour un ajustement serré dans le boîtier, appliquez une force sur la bague extérieure. L'application d'une force à travers les éléments roulants crée des dommages Brinell sur les chemins de roulement qui dégradent la précision de fonctionnement et augmentent les vibrations.
3. Vérifiez l’orientation correcte des roulements appariés. Les roulements à billes à contact oblique à une rangée sont marqués d'une marque d'identification sur la bague extérieure pour indiquer la direction de l'angle de contact. Les roulements appariés doivent être orientés correctement (dos à dos, face à face ou tandem comme spécifié) pour que l'agencement fonctionne correctement. Les paires mal orientées seront gravement surchargées d’un côté de l’arrangement et déchargées de l’autre.
4. Utilisez le chauffage par induction pour installer des roulements plus grands avec des ajustements serrés. Pour les roulements d'un diamètre d'alésage supérieur à environ 60 millimètres, le chauffage par induction pour dilater la bague intérieure à environ 80 à 100 degrés Celsius au-dessus de la température ambiante est la méthode standard de montage sur un arbre avec un ajustement serré, évitant ainsi le risque de dommages mécaniques liés à la pression des bagues froides sur les arbres.

Surveillance des vibrations et de la température

La surveillance de l'état des roulements à billes à contact oblique en service fournit une alerte précoce en cas de développement de défauts avant qu'ils ne progressent vers une défaillance, permettant ainsi des intervalles de maintenance planifiés plutôt que des arrêts d'urgence. Deux paramètres de surveillance principaux sont utilisés :

• Surveillance des vibrations : Les accéléromètres montés sur le boîtier du roulement mesurent les spectres de vibrations qui changent de manière caractéristique à mesure que des défauts du roulement se développent. Les fréquences de défauts caractéristiques des roulements à billes à contact oblique (fréquence de passage des billes de la bague extérieure, fréquence de passage des billes de la bague intérieure, fréquence de rotation des billes et fréquence de la cage) peuvent être calculées à partir de la géométrie du roulement et de la vitesse de rotation, et l'évolution de ces composantes de fréquence dans le spectre de vibration permet une détection précoce de la fatigue de la surface du chemin de roulement, des dommages aux éléments roulants et de l'usure de la cage avant qu'ils ne produisent un événement de défaillance catastrophique.
• Surveillance de la température : Une température de fonctionnement élevée des roulements est un indicateur fiable d’une détérioration de la lubrification, d’une précharge excessive ou de l’apparition de dommages mécaniques. Le normal operating temperature of a well lubricated angular contact ball bearing in a machine tool spindle is typically 10 to 30 degrees Celsius above ambient, and a sustained temperature increase of more than 10 degrees Celsius above the established baseline should trigger investigation of the cause before the bearing is allowed to continue in service.

FAQ sur les roulements à billes à contact oblique

Quelle est la différence entre les roulements à contact angulaire et les roulements à billes à gorge profonde ?

Le fundamental difference between angular contact ball bearings and deep groove ball bearings lies in the raceway geometry and therefore in the direction and magnitude of loads each type can carry. Deep groove ball bearings have symmetrical, relatively deep raceways in which the ball contacts the inner and outer raceways nearly radially, giving good radial load capacity and the ability to carry moderate bidirectional axial loads from the self centering geometry of the deep groove. Angular contact ball bearings have asymmetrical, shallower raceways offset along the bearing axis to create the contact angle, giving higher axial load capacity in the direction of the contact angle but limiting axial load capacity in the opposite direction. Angular contact ball bearings are also capable of higher precision grades and are designed for preloaded paired arrangements that deep groove ball bearings generally are not, making angular contact designs the choice for applications requiring maximum system stiffness and positional accuracy.

Quel est le meilleur angle de contact pour les applications à grande vitesse ?

Pour les applications où la vitesse de rotation maximale est la principale exigence, le plus petit angle de contact disponible offre les meilleures performances. Un angle de contact de 15 degrés, tel qu'utilisé dans la série 7000, minimise les forces gyroscopiques de la balle qui résistent à la rotation de la balle et génèrent de la chaleur à des vitesses élevées. Des angles de contact plus petits entraînent également une direction de charge de contact plus proche de la radiale, ce qui minimise le glissement différentiel entre la bille et le chemin de roulement à des vitesses de rotation élevées. À des valeurs DN très élevées, même la conception conventionnelle à 15 degrés est supplantée par des conceptions spécialisées avec des billes en céramique et une géométrie de cage optimisée. Si des charges axiales importantes doivent également être supportées à des vitesses élevées, un angle de contact de 25 degrés constitue le meilleur compromis entre capacité axiale et performances en vitesse. Des angles de contact de 40 degrés ne doivent être utilisés dans les applications à grande vitesse que si les exigences de charge axiale l'exigent absolument et que la température de fonctionnement plus élevée qui en résulte est acceptable.

Les roulements à billes à contact oblique peuvent-ils supporter des charges axiales bidirectionnelles ?

Un roulement à billes à contact oblique à une rangée ne peut supporter des charges axiales que dans une seule direction : la direction qui charge les billes contre l'épaulement haut du chemin de roulement. Il ne peut pas résister aux charges axiales dans la direction opposée. Pour supporter les charges axiales bidirectionnelles, le concepteur doit utiliser l'une des trois alternatives suivantes : une paire appariée de roulements à billes à contact oblique à une rangée disposés dos à dos (DB) ou face à face (DF), un roulement à billes à contact oblique à deux rangées qui combine deux rangées opposées en une seule unité, ou un roulement à billes à contact oblique à quatre points de contact qui utilise le profil de chemin de roulement en arc gothique pour obtenir un support de charge axiale bidirectionnelle dans une configuration à une seule rangée. Chacune de ces alternatives présente des caractéristiques différentes en termes de rigidité, de capacité de vitesse et d'espace requis, et le choix entre elles doit être basé sur les exigences spécifiques de charge, de vitesse et de dimensions de l'application.

Comment sélectionner les bons roulements à billes à contact oblique ?

Le selection of angular contact ball bearings for a specific application follows a structured process that begins with defining the application requirements and progresses through a series of decisions to arrive at the correct bearing specification. The key selection steps are as follows:

Définissez les conditions de charge : Déterminez l'ampleur et la direction des charges radiales, des charges axiales et des moments de charge, y compris toute amplification de charge dynamique due aux chocs, aux vibrations ou aux charges excentriques, sur toute la gamme des conditions de fonctionnement.

Sélectionnez l'angle de contact : Choisissez l'angle de contact en fonction du rapport entre la charge axiale et radiale. Un rapport de charge Fa/Fr inférieur à 0,35 indique généralement qu'un angle de contact de 15 à 20 degrés est approprié ; des rapports compris entre 0,35 et 0,75 indiquent un angle de 25 à 30 degrés ; des rapports supérieurs à 0,75 indiquent qu'un angle de contact de 40 degrés doit être évalué pour sa capacité de charge axiale supérieure.

Sélectionnez la disposition : Décidez si un contact à une rangée, à deux rangées ou à quatre points est approprié en fonction des exigences de direction de la charge axiale et de l'espace d'installation disponible.

Vérifiez la capacité de vitesse : Calculez la valeur DN pour l'application et confirmez que la série de roulements sélectionnée et la méthode de lubrification prennent en charge la vitesse requise avec une marge adéquate.

Vérifiez la durée de vie du roulement : Calculez la durée de vie nominale de base en utilisant la charge dynamique équivalente et la charge dynamique de base du catalogue du fabricant. Si la durée de vie calculée ne répond pas aux exigences de durée de vie de l'application, sélectionnez un roulement plus grand ou une série avec une capacité de charge plus élevée.

Référence :

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