Conception d'un palier

Dans cet article, nous allons aborder les différentes phases de la conception d'un palier.
Un palier, techniquement, c'est un roulement. Mais dans la pratique, un roulement se monte rarement seul... En général, ils sont montés par deux; par extension, nous appellerons donc dans cet article "palier" l'association de deux roulements.

• Le choix du type de roulement
• Le dimensionnement
• Le type de montage
• Les arrêts axiaux
• Le choix des tolérances
• La lubrification

Choix du type de roulement

Il existe de nombreuses technologies de roulements et de butées, et selon les projets, certaines seront plus ou moins adaptées. En règle générale, lorsque c'est possible, on essaie d'utiliser des roulements à billes à contact radial à une rangée de billes, car ils ont de bonnes performances techniques et un coût modéré.
Pour en savoir davantage sur les différents types et vous aider au choix, vous pouvez consulter cet article : Quel type de roulement choisir ?

Dimensionnement d'un roulement

Le dimensionnement d'un roulement n'est pas forcément une chose aisée. Pour y parvenir, vous devez au préalable identifier les données suivantes :

• Charges radiales et/ou axiales appliquées aux roulements
• Vitesse de rotation du palier
• Durée de vie minimale souhaitée
• Dimensions mini/maxi du palier
• Mode de lubrification (huile ou graisse)

Une fois que vous avez ces informations, deux choix s'offrent à vous :

• Vous dimensionnez "à la main" vos roulements, ce qui peut être relativement long... Afin de vous aider vous pouvez consulter cet article.
• Vous utilisez le module de dimensionnement de roulements de H7g6.fr
  Ce module vous permettra de définir le (ou les) roulements qui peuvent répondre à vos besoins, pour lesquels vous recevrez une note de calcul, les documentations techniques, et un contact fournisseur.

Le type de montage

Différents types de montages sont possibles : en utilisant deux roulements identiques, deux roulements de même type mais de dimensions différentes, deux roulements complètement différents...
Cependant, certains principes se vérifient toujours. Et d'autres principes s'appliquent uniquement à certains types de roulements, notamment pour les roulements à contact oblique.

Principes généraux

• Attention, lors de vos conceptions, à prendre en compte le montage et surtout le démontage des roulements. En effet, un roulement monté serré ne sera pas facile à extraire si aucun dispositif n'a été prévu au départ ; et il faudra bien le sortir, que ce soit pour de la maintenance (lubrification par exemple), un remplacement, ou encore une erreur de montage...
• La bague tournante par rapport à la charge doit être montée serrée, et l'autre bague doit être montée avec jeu (voir ajustements recommandés plus bas).
  Ce principe est fondamental, car il évite une usure précoce du roulement (due au roulage), compense les dilatations thermiques, évite les surcontraintes, et en plus facilite le montage.
  Lorsque la direction de la charge est indéterminée ou oscillante, les deux bagues peuvent être montées serrées.
• En général, les bagues montées serrées doivent être arrêtées axialement dans les deux directions (si possible contre un épaulement). Pour les bagues avec jeu, l'une est arrêtée complètement et la seconde est libre. Plus de détails sur les arrêts axiaux plus bas.
• Ceci est un principe général en conception mécanique, mais il est toujours bon de le rappeler : dans la mesure du possible, il faut utiliser le moins de pièces possibles (sauf si cela complexifie exagérément la réalisation), et utiliser au maximum des éléments du commerce (circlips, entretoises, écrous à encoches...)

Montage en X et montage en O

Pour rappel, une charge radiale appliquée sur un roulement à contact oblique (à billes ou à rouleaux coniques) n'est pas appliquée au centre du roulement, mais à un point déporté selon l'angle de contact du roulement, comme sur l'image ci-contre. De plus, ce type de roulement n'accepte les charges axiales que dans une direction.
Les roulements à contact oblique sont donc montés par paire et en opposition, afin de permettre les efforts axiaux dans les deux directions.
Selon le sens de montage des roulements, si les points d'application de la charge radiale sont entre les roulements, on aura un montage en X (aussi appelé montage direct). S'ils sont à l'extérieur, ce sera un montage en O (montage indirect).

Dans un montage en X, l'entraxe entre les points d'application sera plus petit que l'entraxe des roulements, donc les droites représentant les angles de contact forment un X. Ce montage amène en général les solutions les plus simples et économiques (moins de pièces et d'usinage), et est souvent utilisé pour des paliers avec arbre tournant et charge fixe appliquée entre les roulements (transmissions par courroie ou chaîne par exemple).

Dans un montage en O, l'entraxe entre les points d'application sera plus grand que l'entraxe des roulements, donc les droites représentant les angles de contact forment un O. Ce montage est le plus rigide, donc communément employé; il est presque incontournable lorsque la charge est en porte à faux, ou lorsque que le moyeu est tournant.
Cas particulier : lorsque c'est l'arbre qui est tournant par rapport à la charge, avec ce type de montage, une bague intérieure est montée serrée et l'autre glissante.

Dans tous les cas, les montages en X et en O nécessiteront de pouvoir régler le jeu axial (positif ou négatif) du palier. Attention: en fonction du composant (arbre ou moyeu) qui se dilatera le plus en présence de chaleur, le palier pourra soit se "durcir" (charger davantage les roulements) soit "s'adoucir" (augmenter le jeu interne). Il convient donc de régler correctement le jeu initial, afin de ne pas avoir de comportement non désiré en fonctionnement (surcharge ou jeu trop importants).

Le montage en T

Le montage en T (ou tandem), est beaucoup moins utilisé que les montages en O ou en X. Il s'agit ici de placer les deux roulements dans le même sens, afin d'augmenter la capacité en charge axiale dans une direction. La conséquence, c'est qu'aucune charge axiale n'est admissible dans la seconde direction, et c'est très rarement acceptable.
Dans la pratique, les montages en T sont souvent utilisés avec 3 roulements : on réalise un montage en O ou en X, mais l'un des deux roulements du montage est doublé (donc en T), car le besoin en charge axiale est surtout dans une direction.

Les arrêts axiaux

Pour arrêter axialement un roulement, plusieurs solutions techniques existent. Vous pouvez consulter l'article dédié aux solutions d'arrêts axiaux pour en savoir plus, sinon pour rappel on utilise principalement :

• Les épaulements, entretoises, chapeaux, manchons frettés
• Les anneaux élastiques (circlips)
• Les écrous à encoches

En fonction de la bague qui est montée serrée, de la rigidité voulue, et des diverses contraintes techniques (accès...) ou économiques, il faudra choisir une des solutions présentées ci-après.
Attention : si un des roulements est à rouleaux cylindriques séparable (de type N ou NU), les deux bagues des deux roulements doivent être arrêtées dans les deux directions.

Avec la bague intérieure montée serrée

Ici, les deux bagues intérieures sont complètement arrêtées, et une bague extérieure est arrêtée dans les deux directions (si possible, celle du plus gros roulement, ou le plus proche de la charge). La deuxième bague extérieure est libre dans les deux directions.
Cette solution est très couramment utilisée, car elle est souvent facile à mettre en oeuvre et n'exige pas de réglage de jeu.

Ici, les deux bagues intérieures sont complètement arrêtées, une bague extérieure est arrêtée dans une direction, la deuxième bague extérieure est arrêtée dans l'autre direction. Les arrêts peuvent donc se faire soit à l'intérieur, soit à l'extérieur, comme sur l'image ci-contre.
Ce type de montage, plutôt adapté pour des liaisons courtes, exige un réglage du jeu sur la bague extérieure afin de compenser les dilatations (ou l'utilisation d'une bague élastique)

Cette solution est la version économique du montage précédent; on supprime un arrêt sur chaque bague intérieure, par contre le réglage du jeu sur la bague extérieure est toujours nécessaire.
On retrouve communément ces arrêts lorsqu'on réalise un "montage en X" avec des roulements à contact oblique.
Attention : avec roulements à contact radial, ce type de fixation accepte mal des charges axiales !

Avec la bague extérieure montée serrée

Ici, les deux bagues extérieures sont complètement arrêtées, et une bague intérieure est arrêtée dans les deux directions (si possible, celle du plus gros roulement, ou le plus proche de la charge). La deuxième bague intérieure est libre dans les deux directions.

Ici, les deux bagues extérieures sont complètement arrêtées, une bague intérieure est arrêtée dans une direction, la deuxième bague intérieure est arrêtée dans l'autre direction. Les arrêts se font à l'intérieur.
Ce type de montage, plutôt adapté pour des liaisons courtes, exige un réglage du jeu sur la bague intérieure afin de compenser les dilatations (ou l'utilisation d'une bague élastique)

Cette solution est la version économique du montage précédent; on supprime un arrêt sur chaque bague extérieure, par contre le réglage du jeu sur la bague intérieure est toujours nécessaire.
On retrouve communément ces arrêts lorsqu'on réalise un "montage en O" avec des roulements à contact oblique.
Attention : avec roulements à contact radial, ce type de fixation accepte mal des charges axiales !

Le choix des tolérances

Depuis le début de cet article, nous parlons de bague intérieure ou extérieure montée serrée ou glissante. Ok, mais serrée à quel point ? Glissante, oui, mais avec quel jeu ? La réponse, comme souvent en mécanique, est : "ça dépend !".
5 paramètres sont à prendre en compte pour définir les tolérances qu'il est recommandé d'utiliser :

• Quelle est la direction de la charge ? Selon que la charge est tournante par rapport à l'arbre ou à l'alésage (ou de direction indéterminée), ce sera soit la bague intérieure soit la bague extérieure qui sera montée serrée.
• Quel est le type de roulement ? La tolérance changera selon l'utilisation d'un roulement à billes, à rouleaux cylindriques ou coniques, ou à rotule sur rouleaux.
• Quel est le rapport de charge ? Le rapport de charge C/P est calculé à partir de C (Charge dynamique de base du roulement) et P (Charge équivalente appliquée au roulement).
• Quel est le diamètre de l'arbre ? Parfois, la tolérance changera en fonction du diamètre de l'arbre.
• Quelle est la matière et l'épaisseur de l'alésage ? Toutes les tolérances indiquées ci-dessous sont pour un alésage massif en acier ou en fonte. Lorsque l'on a un alésage moins dur (en aluminium par exemple) ou une paroi mince, il convient de serrer davantage l'ajustement.

Ensuite, certains cas particuliers sont à prendre en compte :

• Lorsque les charges sont purement axiales, peu importe le type de roulement, on réalisera un alésage H7 et un arbre j6.
• Lorsqu'une bague intérieure non serrée ne doit pas être coulissante, on remplacera le g6 par un h6.
• Lorsque l'on utilise un roulement à rouleaux ou à aiguilles sans bague extérieure, on réalisera un G7 sur l'alésage (attention à la dureté !)
• Lorsque l'on utilise un roulement à rouleaux ou à aiguilles sans bague intérieure, on réalisera un g6 sur l'arbre (attention à la dureté !)
• Lorsque l'on utilise un roulement à alésage conique sur manchon, on réalisera un h9 sur l'arbre (alésage selon tableau ci-dessus).

Lubrification et étanchéité

Last but not least (comme disent nos amis anglais), la lubrification... Un point fondamental lorsqu'on parle de roulements ! La plupart du temps, on utilisera de la graisse; cependant, dans certains cas, la lubrification à l'huile sera préférentielle.

Lubrification à la graisse

Environ 90% des roulements sont lubrifiés à la graisse, et ce pour différentes raisons : c'est une solution très économique, l'entretien est très limité (voire absent), la protection contre la corrosion est permanente, ...

• Graissage "à vie" : le roulement est livré graissé et étanche. Cette solution est idéale pour des vitesses et charges limitées (en cas de forte charge ou vitesse, le roulement va chauffer car l'évacuation de la chaleur est médiocre), et lorsque la durée de vie du roulement reste raisonnable.
  Attention : le regraissage sera impossible, il faudra remplacer le roulement complet.
• Graissage au montage : solution usuelle, qui dissipe mieux la chaleur, mais nécessite une étanchéité externe au roulement. De plus, dans la plupart des cas, une maintenance périodique sera nécessaire pour regraisser le roulement.
  Le regraissage pourra se faire soit manuellement, soit par l'intermédiaire d'un graisseur (penser à évacuer la graisse usagée).
• Graissage centralisé : une pompe paramétrée permet le regraissage permanent (à doses et périodes contrôlées). Cette solution est efficace mais onéreuse : elle ne se justifie que lorsque le regraissage doit être fréquent (ou sans arrêt de production) et/ou lorsque l'accès maintenance est compliqué.

Lubrification à l'huile

La lubrification à l'huile est plus contraignante que la lubrification à la graisse, cependant lorsque vous êtes en présence d'un ou plusieurs des cas ci-dessous, il faudra s'orienter vers cette solution...

• Vitesse très élevée
• Roulements très chargés
• Température élevée (donc besoin d'évacuation de la chaleur)
• Machine comportant déjà un circuit de lubrification à l'huile

Dans tous les cas, le choix d'huile sera crucial. Il n'existe pas "d'huile à roulements" qui marche à tous les coups : selon la vitesse, la charge, et la température, il faudra ajuster la viscosité. Pour de plus amples informations, n'hésitez pas à consulter l'article "Choisir une huile de lubrification".
Autre point important, il faut être très vigilant sur le niveau d'huile. Souvent, un excès d'huile sera plus néfaste qu'un manque. En effet, le trop plein d'huile à tendance à faire augmenter la température plutôt que la dissiper.
Plusieurs méthodologies peuvent être utilisées pour une lubrification à l'huile :

• Lubrification par bain d'huile : en général la solution la plus simple, elle consiste à faire tremper le roulement directement dans l'huile.
  Au plus bas, le niveau doit atteindre les billes (ou rouleaux); au plus haut, l'huile ne doit pas dépasser la bague intérieure du roulement (donc elle ne doit jamais atteindre l'arbre).
  Il faudra prévoir un bouchon de remplissage, un de vidange, et un indicateur de niveau.
  Attention également aux projections dues aux effets centrifuges : l'huile projetée doit être ramenée dans le bain, au risque de vider très rapidement la réserve d'huile...
• Lubrification par circulation d'huile : l'huile est amenée et évacuée par un circuit fermé de pompage. Ce dispositif est intéressant lorsque l'on est à haute vitesse, et que l'huile est directement injectée sous pression sur les éléments roulants. Il est également intéressant lorsqu'on ne peut pas maintenir un niveau d'huile constant ou correctement positionné (axe vertical par exemple).
  Sur cette solution, les effets centrifuges sont également à prendre en considération.
• Lubrification par brouillard d'huile : solution onéreuse réservée aux applications particulières ou à très haute vitesse, elle consiste à emmener l'huile sous forme de goutelettes grâce à de l'air comprimé. A proximité du roulement à lubrifier, l'air huilé est condensé pour grossir les gouttes et lubrifier correctement.
  Cette solution permet d'évacuer beaucoup mieux la chaleur que les autres, et de conserver le roulement propre (sans poussières), grâce à l'air comprimé.
  Un circuit de pompage distinct devra être prévu pour l'évacuation de l'huile.

Etanchéité des paliers

Forcément, qui dit lubrification dit étanchéité... Dans le cas de roulements graissés "à vie", deux types d'étanchéité seront proposés : par déflecteur (grande vitesse et milieu propre) ou par joint (vitesse plus faible et milieu sale ou pollué - plusieurs types de joints sont proposés selon les cas).
Pour tous les autres roulements, lubrifiés à la graisse ou à l'huile, une étanchéité extérieure devra être réalisée. Plusieurs solutions sont envisageables :

• Le passage étroit : réalisé soit avec une pièce usinée, soit avec un déflecteur métallique, le principe est de laisser peu de place entre les éléments tournants pour éviter l'évacuation de la graisse (environ 0,5mm au rayon en général).
  Cette solution permet de grandes vitesses de rotation (car pas de frottement) mais l'étanchéité par rapport au milieu extérieur n'est pas parfaite. Pour améliorer cette étanchéité, la pièce réalisant le passage étroit peut intégrer des rainures remplies de graisse.
• Joint à lèvre(s) : lorsque les vitesses sont plus faibles, l'utilisation d'un joint à lèvre radiale ou axiale (V-ring) est recommandée. Selon le sens de montage, le joint à une lèvre permettra soit d'empêcher la fuite de lubrifiant, soit d'empêcher les impuretés d'entrer. Utiliser un joint à deux lèvres, ou deux joints opposés, permet de se protéger complètement.
• L'alliance des deux : pour certaines applications, il est parfois nécessaire de coupler les deux solutions. Un déflecteur pour retenir les "grosses" impuretés, puis deux joints montés en opposition pour les poussières fines et le blocage de lubrifiant. Dans le cas d'une lubrification à l'huile, de la graisse peut être intégrée entre les deux joints, afin d'augmenter encore l'efficacité.