Brevet FR2251745A1 — publié le 19750613

La présente invention concerne les paliers tels que ceux comportant des billes se déplaçant dons des rainures ménagées dans les bagues de roulement, et en particulier les paliers appropriés à fonctionner à grande vitesse et/ou sous charge élevée tels qu'ils sont requis, par exemple, pour les moteurs à turbine a gaz. Dans la technologie des turbines à gaz, les 25 années écoulées ont vu une augmentation constante des vitesses périphériques et des caflacîtés de charge exigées des paliers à billes tels que ceux utilisés pour porter les arbres principaux des moteurs à turbine à gaz. Une application particulièrement délicate de ces paliers concerne la mise et le maintien en place de l'arbre dénommé arbre haute-pression, couplant le compresseur haute-pression et la turbine haute-pression dans un moteur à trois arbres, tous concentriques, dont l'arbre en question est l'arbre extérieur. Quand le moteur fonctionne, l1arbre haute-pression tourne plus vite que les autres, circonstances entrainant des conséquences telles que des forces réactionnelles plus grandes entre les billes et le chemin de roulement du fait de la force centrifuge, provoquant une fatigue de contact de roulement plus élevée dans les paliers. En outre, du fait que l'arbre haute-pression est le plus extérieur de tous,le diamètre de ces paliers de position est évidemment plus grand que ceux des arbres intérieurs ce qui a également pour conséquence des forces de réaction plus grandes dans les paliers du fait de forces centrifuges plus élevées ou, en d'autres termes, une plus grande charge inerte sur les billes Un autre facteur à considérer est la charge axiale ou radiale élevée des paliers.Depuis quelques années, la poussée et le poids des moteurs d'aéronefs civils tendent à augmenter ce qui implique, pour des paliers, l'obligation de pouvoir supporter de plus grandes charges qu'auparavant. L'examen du problème, exposé ci-dessus en se référant aux moteurs à turbine à gaz, illustre le principe général selon lequel des diffucultés surgissent dans la conception des paliers à billes dont les éléments de roulement subissent des forces d'inertie élevées, soit du fait d'une vitesse de rotation élevée, soit du fait du grand diamètre des paliers, soit de ces deux facteurs, en particulier lorsque ceci se produit conjointement à des charges radiales et axiales importantes.La difficulté fondamentale dans de telles situations est que la charge d'inertie des billes augmente comme le cube du diamètre des billes tandis que la capacité de charge des-billes, c'est à dire la charge que chaque bille peut supporter sans dommage dû à la fatigue,n'est proportionnelle qu'au carré du diamètre des billes de sorte que, lorsqu'une vitesse élevée entraîne la prépondérance de la force centrigue des billes les exigences de capacité peuvent ne pas etre satisfaites par une augmentation des dimensions des billes, c'est à dire de leur section et de leur diamètre moyens. On a cherché b résoudre ce problème de diverses façons, par exemple en produisant des billes plus légères en perçant un trou selon un axe passant par le cen-tre de la bille, comme le décrit le brevet britannique nO 1.369.501 au nom du titulaire du présent brevet. On a nweme réalisé des billes plus légères en les rendant creuses, par exemple en soudant ou en joignant d'une autre façon des hémisphères creux.On a également- proposé par exemple dans le brevet français n0 2.210.242 également au nom du titulaire du présent brevet, de réaliser un palier composite comportant deux paliers à billes en série dont une bague de roulement de chacun tournant en sens contraire de la bague de roulement animée du mouvement rotatif le plus rapide de façon à diminuer la vitesse orbitale des billes par comparaison avec les systèmes de paliers ne comportant qu'un jeu d'éléments de roulement. Toutes ces tentatives se sont heurtées à des difficultés et à des inconvé nients. Les billes creuses présentent des inconvénients en ce qui concerne leur fabrication et leur résistance mécanique et les billes perforées doivent etre positivement maintenues en place pour rouler sur une circonférence ne passant pas par les trous. Ceci augmente le colt et la complication du palier, de meme que la troisième solution comportant un accouplement avec un élément intermédiaire de jonction. Une autre solution consiste à accentuer la conformité des chemins de roulement avec les billes. La conformité d'un chemin de roulement de palier avec ses billes est définie comme le rapport du rayon de courbure du chemin de roulement (R) au rayon de la bille (r), soit R/r. Plus grand est le degré de conformité (ou en d'autres termes plus stricte est la conformité) réalisable entre le chemin de roulement et la bille dans les limites définies par l'augmentation prédominante du frottement entre la bille et le chemin de roulement, plus grand est l'avantage accessible en ce qui concerne la répartition de la charge, du fait d'une plus grande surface de contact entre ia bille et le chemin de roulement.Si la charge s'exerçant sur la bille est répartie sur une plus grande surface, il est évident que le palier, dans son ensemble, pourra supporter des charges transversales plus élevées que si ce n'était pas le cos et, si le palier n'a pas à supporter de fortes charges, sa durée de service pourra en être considérablement augmentée. Comme les chemins de roulement externes reçoivent la charge d'inertie des billes, il est évidemment souhaitable de leur donner une conformité plus accentuée que les chemins de roulement internes dont la conformité est dite plus "lâche" que celle des chemins de roulement externes. Au cours des 15 dernières années on a eu tendance, dans la technologie britannique des moteurs d'aviation, à accentuer la conformité du chemin de rou liement externe avec les billes en la faisant passer de la cote habituelle de 1,03 a la cote 1,005 augmentant ainsi les possibilités de vitesse et de charge des paliers.On a largement utilisé des conformités moyennes de 0 1015 pour le chemin de roulement externe et de 1,008 pourle chemin de roulement interne, mais on n'a pas dépassé ces cotes pour la raison très importante qu'on voulait éviter un contact néfaste entre les billes et les bords des chemins de roulement dans certaines condi tisons peu fréquentes de vitesse et de charge axiale. La présente invention permet d'atteindre des conformités entre chemin de roulement et bille plus accentuées que celles réalisées jusqu'ici et d'en obtenir les avantages décrits en évitant éssentiellement ce contact néfaste entre les billes et les bords des chemins de roulement. Ce but est atteint, conformément à l'invention, au moyen d'un chemin de roulement pour palier a billes a grandes vitesses dans lequel le rayon de courbure dudit chemin de roulement, vu dans le plan contenant l'axe du palier, varie dans le sens de sa largeur, ladite largeur du chemin de roulement comprenant d'une part une première zone de rayonde courbure essentiellement constant dans laquelle les billes se déplacent normalement et d'autre part une seconde et une troisième zones séparées l'une de l'autre par ladite première zone, chacune desdites seconde et troisième zones s'étendant depuis un bord respectif de ladite première zone es sentiellement jusqu'a un bord respectif dudit chemin de roulement, et chacune desdites seconde et troisième zones ayant un rayon de courbure essentiellement constant plus grand que le rayon de courbure de la première zone, les centres de courbure desdites seconde et troisième zones étant décalées par rapport au centre de courbure de ladite première zone en vue de former, sur le chemin de roulement, desz ones de transition douce entre lesdites zones. Les trois zones précitées pourront avoir une conformité, telle que définie ci-dessus, plus accentuée, c'est a dite numériquement inférieure à 1 ,O0. De préférence la première zone a une conformité de 0,005 tandis que les deux zones de conformité plus lâche auront des conformités de 1,008; De préférence seul le chemin de roulement radiaiement externe du palier a billes sera conformé comme décrit ci-dessus, la cote de la conformité du chemin de roulement radialement interne ne dépassant pas, de préférence, 1,018 en vue de faciliter la fabrication. L'invention est décrite ci-apres plus en détail en se référant aux dessins annexés danslesquels - la figure 1 est une épure montrant comment la forme géométrique des parties externes du chemin de roulement est engendrée; et - la figure 2 est un graphique montrant l'effet de la conformité chemin de roulement /bille sur la capacité de charge et la durée de service d'un palier, par référence à une conformité normale de 1,035. La figure 1 montre, de façon schématique et exagérée, la section transversale de la bague de roulement radialement externe 2 d'un palier à billes pour grandes vitesses. La bille proprement dite (non représentée) de rayon "r" roule normalement avec son centre de contact dans la zone centrale A du chemin de roulement. La zone A est une région dans laquelle l'arc 3 définissant la surface du chemin de roulement est une portion d'un cercle de rayon R et de centre O, ce qui revient à dire que l'arc 3 a un rayon de courbure "R" plus grand que "r". Des bords C de la zone A aux bords du chemin de roulement en E sont définies des zones D dans lesquelles le rayon de courbure RD des arcs 5 définissant la surface du chemin de roulement est plus grand que R, donnant ainsi une conformité chemin de roulement/bille plus lâche que dans la zone A. Les arcs 6 sont, en fait, des portions de cercles de rayons RD et de centres 1 etO2 respectivement, les zones D ayant ainsi, comme la zone A, une conformité constante. A titre d'exemple, l'invention pourrait utiliser un rayon de courbure R, dans la zone A, égal à 1,005 fois le rayon de la bille r, donnant ainsi une conformité chemin de roulement/bille R/r = 1,005. Le rayon de courbure RD du chemin de roulement entre les points C et E dans les zones D pourrait être RD = 1,008 r. Les centres Oi et O2 sont décalés sur O pour produire une surface de transition douce sur les chemins de roulement entre les zones A et D ainsi qu'une profondeur générale appropriée du chemin de roulement. La forme géométrique du chemin de roulement est établie en déterminant d'abord le point C auquel on désire réaliser la transition entre les zones A et D. Pour produire un changement de rayon de courbure en C, de R en RD sans produire d'arête ou de dépression au point de transition, on prend, comme représenté, un rayon OC du cercle centré en O. Ce rayon est prolongé de O en O1 de façon que RD - R = O O1 La droite O 1OC est donc le rayon de courbure de I'arc.5 qui est une portion du cercle de centre On voit que la tangente F C G en C est une tangente commune aux deux cercles O et O et que la droite C O 1 contenant les rayons des cercles respectifs est perpendiculaire à cette tangente. Dans les paliers à billes pour grandes vitesses portant les arbres principaux d'un moteur à turbine à gaz, les angles de contact des billes et du chemin de roulement restent petits dans la plupart des conditions de fonctionnement, c'est à dire que la bille se déplace au centre du chemin de roulement. Ce n'est que dans des conditions de poussées fortes et brèves engendrant des forces sensiblement gle- vées dirigées axialement que l'angle de contact serait assez grand pour amener la ligne médiane de contact entre la bille et le chemin de roulement en dehors de la zone A.De telles conditions n'auraient pas d'effet notable sur la durée de service des paliers car, du fait de la conformité plus lâche et du décalage des centres de courbure des zones D, il y a moins de-risque que les arêtes du chemin de roulement en E ne viennent en contact avec les billes et ne chargent donc fortement de faibles surfaces de celles-ci. On notera également que les arêtes du chemin de roulement en E, la où les zones D se terminent, ne sont pas a angle aigu mais arrondies, ce qui contribue également a éviter des charges élevées par unité de surface. La réalisation du chemin de roulement pourra se faire par rectification et honing, au moyen des techniques déjà appliquées. Si on le voulait, on pourrait donner aux deux zones externes D des rayons de courbure différents bien que constants. De cette façon, la conformité d'une zone D serait différente de celle de la zone D opposée. Une telle conformation du chemin de roulement pourrait être souhaitable dans les cas d'une charge axiale dans une direction axiale nettement plus forte que la charge axiale dans l'autre direction axiale. Dans de tels cas les zones ne seraient pas forcément conformées symétriquement autour du point central de la largeur du chemin de roulement. C'est ainsi que dans une disposition semblable d celle de la figure 1, la zone "cen- trale" A pourrait être décalée vers les arêtes droite ou gauche E du chemin de roulement selon la direction de la charge axiale à supporter, la largeur des zones D étant adéquatement augmentée ou diminuée. La figure 2 montre les avantages découlant de l'emploi de paliers conformes d l'invention en ce qui concerne la capacité de charge des paliers et leur durée de service. La figure 2 est un graphique s'expliquant pur lui-même, utilisant, comme base de référence, une conformité chemin de roulement/bille de 1 1,035 très rOpan- due dans la pratique des roulements à billes y compris ceux réalisés pour divers constructeurs de moteurs à turbine à gaz pour aéronefs. 11 ressort du graphique que, lorsqu1on fait passer la conformité de 1,035 à 1,015 en ne prenant en considSra- tion que les chemins de roulement externes) on améliore d'environ 60% la capaci- té de charge des billes -ou que, si la charge est la même que celle supportée par le palier de référence d'une conformité de 1,035 on peut obtenir une durée de service quintuple du palier.Ces résultats ont déjà été atteints en pratique cou- rante par le titulaire du présent brevet. Muis si on réalise, du kit de la présente invention, une conformité de i,03)5 onvoit qu'on obtient une amélioration d'environ 210% de la capacité de charge des billes, soit une charge 3,1 fois plus forte ou une durée de servie 30 fois plus longue, qu'avec des paliers de 1,035 de conformité. Les avantages découlant de l'invention en ce qui concerne la capacité de charge et la durée de service sont très supérieurs à ceux procurés par les paliers allégés, tels qu'à billes creuses ou perforées. En outre, le procédé selon l'invention complique moins les opérations de montage et de fabrication que les solutions antérieures mentionnées, ce qui a une incidence favorable sur les couts de développement et de fabrication. REVENDICATIONS 1. Chemin de roulement pour palier d billes pour grandes vitesses, caractérisé en ce que le rayon de courbure du chemin de roulement, vu dans-des plans contenant l'axe du palier, varie dans le sens de sa largeur, laditel argeur du chemin de roulement comprenant d'une part une première zone de rayon de courbure essentiellement constant dans laquelle les billes se déplacent normalement et d'autre part une seconde et une troisième zones séparées l'une de l'autre par la première zone, chacune des seconde et troisième zones s'étendant depuis un bord respectif de la première zone essentiellement jusqu'a un bord respectif du chemin de roulement, chacune des seconde et troisième zones ayant un rayon de courbure essentiellement constant plus grand que le rayon de courbure de la première zone, les centres de courbure des seconde et troisième zones étant décalés par rapport au centre de courbure de la première zone. 2. Chemin de roulement pour palier a billes selon la revendication I, caractérisé en ce que la conformité du chemin de roulement avec les billes a, dans chacune des zones, une valeur numérique inférieure b 0d01, ladite conformité étant définie comme le rapport du rayon de courbure du chemin de roulement au rayon de la bille. 3. Chemin de roulement pour palier a bille selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première zone a une conformité de 1,005. 4. Chemin de roulement pour palier b billes selon la revendication 3, caractérisé en ce que les seconde et troisième zones ont des conformités de 1,008. 5. Palier à billes pour grandes vitesses caractérisé en ce qu'il comporte au moins un chemin de roulement conforme a l'une quelconque des revendications I à4.