Brevet FR2534989A1 — publié le 19840427

La presente invention concerne une butée à billes, et plus particulièrement une butée à billes à charge admissible élevée et à frottements faibles pour une vitesse de rotation élevée, ou encore une butée à billes ayant la même charge admissible qu'une butée ordinaire, mais utilisable avec de faibles frot- tements ou des vitesses de rotation élevée, ayant une longue durée de vie et qui soit facile et peu onéreuse à fabriquer. Avec la tendance actuelle vers une plus grande vitesse des roulements des paliers des broches principales des machines-outils, des moteurs à réaction, des turbines à gaz, des pompes à haute pression, des transmissions d'entraînement en traction à variation continue ou des vis à billes, les pertes par frottement dues au pivotement des billes pendant la rotation du roulement sont importants dans les roulements de butée à billes conventionnels et, si la force centrifuge ap- pliquée aux billes par la Vitesse de rotation élevée aug- mente, les pertes par pivotement sont doublées et les performances de ces mécanismes sont sensiblement rédui- tes Pour cette raison, il est tout à fait connu de considérer les butées à billes inutilisables pour de telles utilisations Ainsi les roulementsà àbilles angulaires ou analogues, qui sont capables de tourner à vitesse elevée, ont été jusqu'à présent utilisés pour de telles applications Cependant, les butées à billes sont apparemment plus avantageuses en ce qui concerne la charge de poussée admissible et le couple de.frottement lors de la rotation à basse vitesse, et en conséquence la réalisation de butées à billes à fai- bles frottements capables de tourner à grande vitesse a été souhaitéee. Le brevet UJS No 3 -55 618 satisfait -2- plus ou roins à ce souhait L'invention de ce brevet vs 2 telle que, cor e ie mnci'rtre la Figure i des dessins annexés, les surfaces de roulement lisses 24 et 26 des bagues 20 et 22 sont agencées de façon conique, de sorte que le sommet du cône se trouve sur l'axe central L de la butée, et une bague de contrôle 30 est montée sur le cercle circonscrit de chaque bille 28. Ainsi, comme le montre la Figure 2 des dessins annexés, les ellipses de contact A", B" et C" entre les billes et chaque surface de roulement sont sensiblement des petites zones circulaires, et la pression de surface sur celles-ci est remarquablement élevée La force centri- fuge des billes pendant la rotation à vitesse élevée est indépendante de la charge de poussée et, en consé- quence, l'influence de la force centrifuge est tout à fait notable; en outre du lubrifiant peut diffici- lement être fourni au point de contact C entre la bille 28 et la bague de contrôle 30 et, tout compte fait, l'invention de ce brevet ne peut pas être utilisée en pratique pour une rotation à vitesse élevée et à charge élevée, et peut simplement être utilisée dans le cas d'une charge faible et d'une vitesse moyenne, avec un couple de frottement faible tels que souhaité dans les débrayages, comme décrit dans ce brevet. Au contraire de ce brevet U S, dans la butée à billes conventionnelle bien connue telle que représentée sur la Figure 3 des dessins-annexés, la *section transversale des gorges de roulement des bagues 1 et 2 arrondie, et donc la surface de l'ellipse de contact entre la surface de roulement et la bille est importante, et la charge de poussée admissible est ma- ximale du fait que les positions A et B des points de charge sont établies avec un angle e = 900 par rapport au plan de révolution des billes, comme représenté. D'cufte part, les tangentes aux points de charge A et B sont parallèles l'une à l'autre et ne se coupent pas et, en conséquence, un mouvement de pivotement i I;, por- tant a lieu entre les billes et la gorge, et les per- tes par frottement résultant d'un tel pivotement sont importantes en comparaison avec les autres facteurs tels que l'hystérésis élastique ou le glissement dif- férentiel; en outre, lorsque la butée tourne à vitesse élevée, la force centrifuge agit sur les billes et les points A et B sont déviés vers l'extérieur, et les per- tes par pivotement sont donc encore augmentées et, en conséquence, il s'est avéré difficile en pratique d'utiliser une tell'e butée'pour une rotation à vitesse élevée. On sait que ces pertes par pivotement de- viennent théoriquement nulles si l'on fait en sorte que les tangentes aux points de charge des billes et des gorges se coupent sur l'axe central du roulement. Ainsi, si un organe tel que -la bague de contrôle 30 du brevet U S mentionné ci dessus est montée sur le cercle circonscrit des billes, et que le point d'inter- section entre les tangentes est porté par l'axe central comme décrit cidessus, les billes étant disposées vers l'intérieur du cercle de roulement, les pertes par pi- votement entre la surface de-roulement et la bille de- viennent nulles, mais si une charge de poussée impor- tante, que le chemin de roulement puisse supporter, est exercée sur celui-ci, une pression de surface re- marquablement élevée est engendrée au point de contact entre la bille et la bague de contrôle 30, comme noté précédemment, et une empreinte est engendrée sur la surface de roulement de-la bague de contrôle-30 et, en conséquence, un tel roulement de butée à billes ne peut en pratique être utilisé - La présente invention résoud les problèmes envisages ci-dessus en blc c, et constitue une nouveauté entièrement différente de rl'idée technique de l'inven- tion connue du brevet U S (butée à billes conique), et est caractérisée en ce qu'une troisième bague dont la forme de la section transversale est arrondie est prévue de manière à ce que la position du point de charge de la gorge de roulement et de la bille soit située légèrement vers l'intérieur par rapport à la position du fond de la gorge de roulement, c'est-à- dire la position du cercle de roulement de la butée. L'invention sera mieux comprise à la lec- ture de la description détaillée suivante de celle- ci, faite en référence aux dessins annexes, sur les- quels: la Fig 1 représente la butée décrite dans le brevet U S No 3 455 618, qui constitue un exemple de l'art antérieur; la Fig 2 illustre la charge dans la par- tie de contact entre les billes de la Fig l; la Fig 3 est une vue en coupe transver- sale partielle d'une butée à billes selon l'art anté- rieur; la Fig 4 est une-vue en coupe longitudi- nale d'une butée à billes selon la présente invention; la Fig 5 est un graphique stéréotypique des pertes par frottement de la butée de la présente invention; la Fig 6 est une vue en coupe transver- sale mbntrant une rainure de graissage prévue dans une troisième bague; la Fig 7 est une vue agrandie de la par- tie N de la Fig 6; - la Fig 8 est une vue en plan partielle mon- trant une cage; la Fig 9 illustre un état dans lequel la cage de la Fig 8 est séparée de la troisième bague; ô les Fig 10 et 12 sont des vues en coupe transversale partielle illustrant un état dans lequel la troisième bague et la cage sont engagées l'une dans l'autre; la Fig 11 est une vue en perspective partielle montrant la cage de la Fig 10; la Fig 13 est une vue en coupe transversa- le partielle montrant un roulement dans lequel la troi- sième bague et la cage sont conçues d'une pièce l'une avec l'autre; et la Fig 14 est une vue en coupe transversale selon la ligne E-E de la Fig 13. Une forme de réalisation préférée de la présente invention est décrite cidessous en référence aux dessins En référence à la Figure 4, qui représente l'ensemble de la butée à bilies de la présente invention, les références 1 l et 12 désignent respectivement une première et une seconce bagues de butée, et la référence 13 désigne une troisième bague Plusieurs billes 14 re- tenues par une cage 15 sont intercalées entre ces bagues. Ces billes 14 sont retenues par la circonférence inté- rieure de la troisième bague 13, et positionnées à l'in- térieur du cercle de roulement de diamètre Dm de la butée, et la distance Dm' séparant les centres de billes 14 opposées est légèrement inférieure au diamètre du - cercle-de roulement Dm Les points de charge A' et B' lorsqu'une poussée est exercée sur le roulement sont symétriques par rapport à un plan passant par les cen- tres des billes, et le point d'intersection D entre les tangentes en ces points estisituée légèrement à -6- l'extérieur de l'axe central L de la butée, coince représe:,té. Les gorges de roulement des première et seconde bagues 11 et 12 présentent une section trans- versale courbe dont les rayons Re et Ri sont légèrement supérieure au rayon de chaque bille 14 La charge exer- cée sur la gorge de roulement de la troisième bague 13 est plus faible que les charges de poussée des première et seconde bague, en règle générale, les billes 14 ne roulent pas sur la surface de la troisième bague, mais ne font que pivoter sur elle-mêmes sur celle-ci et, en conséquence, il n'est pas nécessaire de tenir comp- te de l'usure de roulement des billes Ainsi, la pres- sion de surface de là troisième bague 13 peut être supérieure à celle de la bague de butée, et d'une valeur telle qu'au- cune empreinte ne soit engendrée A savoir, si le ra- yon Rc des gorges est rendu supérieur à Re ou Ri, et que l'ellipse de contact au point de contact C' entre la bille et la gorge est rendue approximativement égale à un cercle par rapport à A', B', les pertes par pivo- tement dans cette parties prendront une faible valeur, désignée par Ms sur le graphique de la Figure 5 Ce- pendant, si le rayon Rc de la gorge a une valeur telle que la gorge est sphérique, à savoir une valeur égale ou supérieure au rayon du cercle circonscrit de la bille, il existe une possibilité indésirable que la troisième bague 13 se déplace dans la direction d'auto- alignement et vienne en contact avec les surfaces laté- rales des première et seconde bague et, en conséquence, si au rayon Rc est donnée une valeur inférieure à la moitié de la distance Dm' entre des centres de billes opposées, alors cette possibilité indésirable sera éli- minée. Toutes les pertes par frottement de cette but-e' úcr Et représentées de façon stéréotypique sur la : 7 i -7 Figure 5 La Figure 5 est un Graphique théorique du cas o Re = Ri 0,52 Da Rc Da o Da est le diamètre des billes Sur la Figure 5, l'ordonnée représente les pertes par frottement, et, l'abcisse représente l'angle de contact û (voit Figu- re 4) Incidemment, un angle de contact = 'O-corres- pond au cas de la butée à billes conventionnelle telle que représentée sur la Figure 3 Comme le montre ce graphique, la résistance due au pivotement sur la ba- gue de butée My varie peu avec le début de l'accrois- sement de, mais diminue ensuite brutalement, et lorsque l'angle de contact est égal à o, aucun pi- votement de ce type n'a lieu, et la résistance My au. pivotement devient donc nulle Cet angle r o correspond au cas o le point d'intersection entre les tangentes aux points de charge coupe l'axe central L (voir Figu- re 4) Aussi, Mx représente la résistance au roulement dans la direction circonférentielle et, lorsquet= O, la résistance au roulement dans la direction circonfé- rentielle est entièrement représentée par la résistan- ce au pivotement de la bague de butée, et Mx est donc égale à zéro Ms représente la résistance au pivote- ment sur la troisième bague et, la charge exercée par les billes sur cette bague augmente lorsque augmente, et Ms augmente donc lorsqueraugmente La somme totale de ceci est la courbe Mb et, comme il:apparait sur la Figure 5, la valeur minimale de Mb apparaît dans la région dans laquellez est inférieur à:' o La présente invention est basée sur les connaissances mentionnées ci-dessus, et, comme précé- 8 - derent décrit, la troisième bague 13 est prévue de manière à s'&ccorder avec les connaissances men- tionnées ci-dessus Une forme de réalisation préfé- rée de la troisième bague 13 est décrite ci-dessous en détail. La troisième bague 13 n'est retenu en aucune manière, à l'exception du fait qu'elle est en contact avec les billes 14 au point C', comme décrit précédem- ment, et elle tourne donc grâce à la révolution des billes 14 Cependant, un pouvement de pivotement a lieu, comme indiqué par Ms sur le graphique de la Figure 5, et, dans le cas d'une rotation d'une grande précision dans laquelle le point de contact C' varie peu, même si la machine a fonctionné pendant une lon- gue durée, la partie centrale de l'ellipse en contact avec le point C' peut être lubrifiée de façon non sa- tisfaisante Aussi, il est efficace de prévoir une rainure de graissage circonférentielle peu profonde 131 telle que représentée sur la Figure 6 La Figure 7. est une vue de détail de la partie N de la Figure 6, et montre un exemple de la forme de la section trans- versale-de la rainure de graissage 131. La cage 15 est destinée à maintenir les billes 14 de façon sensiblement équidistante sur un cercle primitif, et peut de préférence avoir une for- me de type en peigne telle qu'illustrée sur la Figure 8, afin d'empêcher le contact entre les billes adja- centes A savoir, les bases de piliers 151 de la ca- ge qui retiennent les billes sont pontées en 152 du côté du diamètre intérieur de la cage et, si cette cage est séparée de la troisième bague 13, la troisiè- me bague 13 peut tourner librement ( voir Figure 9), et si, comme le montre la Figure 10, une gorge circon- féïentielle 132 est prévue du côté du: diamètre inté- ri 6 ur de la surface latérale de la troisième bague 13, -2534989 et qu'une saillie coulissante 153, telle que représen- tée plus en détail sur la Figure 11, est ménagée sur la cage et s'engage dans la gorge circonférentielle 132, aucun frottement n'apparaîtra pour le guidage de la cage D'une autre manière, au lieu de ménager la gorge circonférentielle 132 et la saillie 153, 1 'extré- mité d'un pilier 151 pourra s'appuyer sur le chemin de roulement 130 dela troisième bague, comme le montre la Figure 12 - Comme autre solution, illustrée par la Figure 13, la troisième bague et la cage pourront être moulées d'une pièce l'une avec l'autre, et une fenêtre 154 de retenue de bille pourra y être ménagée La Figure 14 est- une vue en coupe transversale selon la ligne E-E de la Figure 13, et montre la forme de la fenêtre de retenue de bille. La hauteur des épaulements des gorges de roulement des première et seconde bagues pourra être telle que représentée sur la Figure 4, l'extérieur He du cercle de roulement étant peu profond et l'intérieur Hi de ce cercle étant plus profond, l'espace destiné à recevoir la troisième bague 13 pouvant ainsi être élargi et la rigidité ou la résistance de la bague 13 pouvant être améliorée De plus, du fait que He est peu profond, une interférence de la meule a peu de chance d'apparaître lors du meulage des gorges de roulement, et l'emploi d'une meule de grand diamètre devient possible, ce qui conduit à une plus grande efficacité du meulage. Les résultats de la présente invention, bien que mentionnés brièvement dans la description- ci-dessus, sont décrits ensemble ci-dessous. 1) du fait que l'angle de contact est petit, la charge sur-la gorge au point de charge des O - des billes et la charge de poussée ssn-t s Qnsiblement égales, et l'on peut donc obtenir la même valeur-de charge statique que celle de la butée à billes-conven- tionnelle. 2) la somme totale des pertes par frotte- ment sur la surface de roulement peut être minimisée et, en particulier, la troisième bague tourne sans être en contact avec les première et seconde bagues, et il n'existe donc aucun frottement de guidage des bagues. 3) la force centrifuge des billes pendant la rotation à vitesse élevée n'affecte pas les première et seconde bagues, mais elle est intégralement suppor- tée par la troisième bague De plus, les pertes dues au pivotement sur la troisième bague sont très faibles, et une rotation à vitesse élevée est donc possible. 4) les pertes par pivotement sur les pre- mière et seconde bagues de butée sont relativement fai- bles et l'influence de la force tangentielle est fai- ble, et la durée de vie de la gorge de roulement est donc longue Les billes ne roulent pratiquement pas par rapport à la troisième bague, etaucune fatigue de roulement n'a donc lieu; en outre la pression de surface est faible en comparaison avec celle de la ba- gue de contrôle cylindrique du brevet U S mentionné plus haut, une rétention satisfaisante de l'huile de lubrification est obtenue, et la caractéristique de lubrification est donc remarquablement améliorée; il n'existe aucune perte de guidage du fait qu'aucun glissement n'assure le guidage, et, en particulier dans le roulement dans lequel;-des rainures de graissage sont prévues dans la surface de roulement, la lubrifica- tion au point de contact est maintenant satisfaisante, et lrusure est donc faible. ) la gorge de roulement de chaque bague 2534989- f 11 - est d'une forme sensiblement similaire à celle des butées à billes conventioxinelles et des roulements à billes radiaux, et ne' nécessite aucune technique d'usinage particulière, et son coût de fabrication est donc faible En particulier, dans un roulement dans lequel la hauteur des épaulements des gorges de roulement des première et seconde bagues est faible du côté du diamètre extérieur, aucune interférence de ceux-ci avec la meule destinée à meuler les gorges n'est susceptible d'avoir lieu, et l'utilisation d'une meule de grand diamètre est donc possible, ce qui con- duit à une plus grande efficacité du meulage Simul- tanément, l'espace destiné à recevoir la troisième bague est plus large, et cette bague peut donc être faite épaisse et robuste. La présente invention, avec ses avantages décrits ci-dessus, est donc utilisable comme palier de support de broches principales de machinesoutils, de moteurs à réaction, de turbines à gaz, de pompes hydrauliques à haute pression, de transmission en trac- tion à variation continue, de vis à billes ou d'engre- nages à vis -sans fin sur lesquels une charge de pous- sée importante est appliquée et qui nécessitent de faibles frottements ou une vitesse de rotation élevée, et est particulièrement efficace pour donner à ces mécanismes un rendement supérieur et de moindre pertes d'énergie. 12 - REVENDICATIONS - -1. Butée à billes faisant appel à des billes ( 14) comme organes de roulement, caractérisée en ce qu'elle comprend des première ( 11) et seconde ( 12) bagues comportant des gorges de roulement dont le ra- *yon en section transversale est légèrement supérieur au rayon desdites billes, une cage ( 15) destinée à retenir les billes intercalée -entre lesdites première et seconde bagues, et une troisième bague ( 13) circons- crite auxdites billes et positionnant celles-ci légère- ment à l'intérieur du cercle de roulement de la butée. 2. Butée à billes selon la revendication 1, caractérisée en ce que le diamètre intérieur du che- min de roulement de la troisième bague ( 13) est légère- ment inférieur au diamètre du cercle circonscrit à cha- cune des billes-( 14) lorsque celles-ci sont mises en -place sur le cercle de roulement de la butée, et que le point d'intersection entre les tangentes aux points de charge entre les billes et les bagues est conçu pour être situé légèrement au delà de l'axe central (L) de la butée. 3. Butée à billes selon la revendication 1, caractérisée en ce que la gorge de roulement de la troisième bague ( 13) est arrondie, et que son rayon (Rc) de courbure transversale est supérieur au rayon des billes ( 14), et inférieur au rayon du cercle de roulement de la butée. 4. Butée à billes selon la revendication 1, caractérisée en ceiqu'une rainure de graissage cir- conférentielle (( 131) est prévue au centre de la gorge de roulement de la troisième bague ( 13). 5. Butée à billes selon la revendication -1, caractérisée en ce que la troisième bague ( 13) et la 13 - cage ( 15) sont séparées l'une de l'autre. 6. Butée à billes selon la rexvldi ca- tion 5, caractérisée en ce qu'une gorge circonféren- tielle ( 132) est prévue du côté intérieur de l'une ou des deux surfaces latérales de la troisième bague ( 13), et que la cage ( 15) est engagée dans ladite gorge. 7. Butée à billes selon la revendica- tion 5, caractérisée en ce que les piliers ( 151) de la cage ( 15), qui sont séparés de la troisième bague ( 13) et qui retiennent lesdites billes ( 14) sont pontés ( 152) en forme de peigne du côté inté- rieur de la cage ( 15). 8. Butée à billes selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que la troisième bague ( 13) et la cage ( 15) sont moulées d'une pièce l'une avec l'autre. 9. Butée à billes selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que dans la troisième bague ( 13) est ménagée une fenêtre ( 154) de retenue de bille. o Butée à billes selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que la hauteur des épaule- ments des gorges de roulement des première ( 11) et seconde ( 12) bagues est peu profonde à l'extérieur du cercle de roulement, et plus profonde à l'intérieur de ce cercle.