Brevet FR2632030A1 — publié le 19891201

Eléments de roulement pour palier à roulement. La présente invention concerne un élément de rou- lement pour un palier à roulement à rouleaux, et plus particulièrement, un élément de roulement qui possède une longue durée de vie indépendamment de ce que la surface coopérante est une surface rugueuse ou une surface lisse bien finie. Il est bien connu que la rugosité de surface d'un élément de roulement pour un palier à roulement est l'n des facteurs importants affectant la durée de vie à la fatigue du roulement. On a donc considéré jusqu'à présent que plus la surface de roulement finie était lisse, plus longue serait la durée de vie en fatigue de roulement de l'élément de roulement. Les présents inventeurs ont trou- vé, après des essais et des tâtonnements répétés, qu'un élément de roulement ne doit pas nécessairement présenter une surface lisse et bien finie pour avoir une longue durée de vie. Un tel élément de roulement présente, comme sur- face de roulement, une surface rugueuse à stries s'éten- dant dans des directions quelconques et ayant une rugosi- té maximale de 0,3 à 0,8 pm. On a constaté aue cet élé- ment de roulement possède une durée de vie relativement longue. Toutefois, si la surface coopérante est une sur- face bien finie, il est difficile de former une couche de film d'huile, à l'interface. Il peut en résulter une 263203C usure ou un écaillage de l'arbre. Par suite, on ne peut pas utiliser cet élément de roulement avec un arbre pré- sentant une telle surface de contact bien finie. La présente invention a pour objet de procurer un élément de roulement pour un palier à roulement à rou- leaux, qui permet de former facilement une couche de film d'huile et qui possède une longue durée de vie lorsqu'on l'utilise en contact aussi bien avec une surface rugueuse qu'avec une surface lisse. La surface de l'élément de roulement conforme à la présente invention comporte une multiplicité de très petites cavités formées au hasard. Les valeurs efficaces (moyenne des carrés) de la rugosité dans la direction longitudinale et la direction circonférentielle de l'élé- ment de roulement (désignées ci-après par Reff (L) et Re ff (C), respectivement) sont déterminées de sorte que ef le rapport Reff (L), Reff (C) ne soit pas supérieur à 0,8. Puisque les valeurs SK sont fixées au-dessous de -2,0 à la fois dans la direction longitudinale et la di- rection circonférentielle, le rapport de film d'huile, qui est le rapport d'une couche de film d'huile formée sur la surface de contact entre deux objets roulants, augmente et la surface coopérante reste exempte d'écail- lage et d'usure, quelle que soit sa rugosité de surface. Par suite, sa durée de vie est longue. D'autres caractéristiques et objets de la présen- te invention apparaîtront à la lumière de la description ci-après, avec référence aux dessins annexes dans les- quels: la figure 1 est une coupe d'un premier exemple d'un palier à roulement constitué par un palier à ai- guilles; la figure 2 est une coupe d'un palier à aiguilles utilisé pour l'essai de durée de vie; la figure 3 représente des graphiques illustrant les états de surface des éléments de roulement essayes; la figure 4 est une vue schématique d'un dispo- sitif d'essai; les figures 5 à 7 sont des graphiques illustrant les résultats de l'essai de durée de vie des éléments de roulement; la figure 8 est un graphique illustrant la rela- tion entre le paramètre de film d'huile et le rapport de film d'huile; O10 les figures 9 et 10 sont des graphiques illus- trant le rapport de film d'huile; la figure 11 est une coupe d'un deuxième exemple d'un palier à roulement constitué par-un palier à rou- leaux coniques; les figures 12 et 13 sont des graphiques illus- trant les résultats de la mesure des valeurs de couple d'un roulement à rouleaux coniques suivant l'art anté- rieur et d'un roulement conforme à la présente inven- tion; et la figure 14 est une coupe d'un troisième exem- ple d'un palier à roulement constitué par un palier à rouleaux cylindriques. La figure 1 représente un palier à roulement 1 sous la forme d'un palier à aiguilles dans lequel des éléments de roulement cylindriques 2 sont montés dans un anneau extérieur 3 pour supporter un arbre 4 en contact avec ces éléments. La surface de contact de roulement 2a de l'élé- ment de roulement 2 présente de très petites cavités dis- posées dans des directions quelconques. Sa rugosité doit être déterminée de sorte que le rapport Reff (L)/Reff (C) ne soit pas supérieur à 0,8, Reff (L) et Reff (C) étant des valeurs qui représentent la rugosité superficielle de la surface de contact de roulement 2a dans sa direc- tion longitudinale et sa direction circonférentielle, respectivement. Les valeurs SK, qui sont un autre para- mètre de la rugosité de surface, dans les directions axiale et circonférentielle, doivent être déterminées pour ne pas dépasser -2,0. On peut former une surface de contact de roule- ment ayant la rugosité définie ci-dessus, par traitement spécial en tonneau ou cuve rotative. Les valeurs SK représentent la distorsion de la courbe représentant la répartition de la rugosité de sur- face. Si la répartition de rugosité engendre une courbe symétrique, telle qu'une courbe de distribution de Gauss, la valeur SK est zéro. On a trouvé qu'une couche de film d'huile peut être plus facilement formée si les valeurs SK à la fois dans la direction longitudinale et la direc- tion circonférentielle sont fixées au plus à -2,0. On a préparé une pluralité de paliers ou roule- ments à aiguilles dont les surfaces de roulement ont des finitions mutuellement différentes et on a contrôlé leur durée de vie lorsqu'on les utilise pour supporter divers arbres ayant chacun une rugosité de surface différente. Comme représenté sur la figure 2, les paliers à aiguilles essayés ont un diamètre extérieur Dr de 38 mm et un diamètre intérieur dr de 28 mm et ils comprennent chacun une cage 5 ayant une longueur L de 13 mm et qua- torze éléments de roulement ayant un diamètre D de 5 mm. On a classé les paliers à essayer en trois grou- pes, en fonction de la rugosité de surface des éléments de roulement. La rugosité de surface (exprimée en Reff et SK) des échantillons d'essai est indiquée dans le tableau 1, et la méthode d'usinage pour les éléments de roulement de chaque groupe est indiquée dans le tableau 2. TABLEAU 1 R (jim) SK Palier Tp Type Palierd'usinage LongitudinalCironconférentiel (L) (C) L/CLongitudinal circonférentiel (L) (C) Palier essai A A 0,055. 0,052 1,06 -1,15 -1,23 essai A Palier essai B B 0, 040 0,044 0,91 -0,44 -0,33 essai B Palier C 0,100 0,134 0,75 -2,06 -2,17 u essai C TABLEAU 2 Type d'usinage Séquence d'usinage A rectification) superfini I os B rectification --superfini Il rouleau suivant l'invention, usinage w C spécial au tonneau Les figures 3A à 3C illustrent les états de surface des éléments de roulement de chaque échantillon. La figure 4 représente schématiquement un appa- reil d'essai de charge radiale 11, utilisé dans cet es- sai. Les paliers 1 à contrôler sont montés aux deux ex- trémités d'un arbre rotatif 12 qu'on fait tourner dans des conditions de charge. Les pistes intérieures (ou arbres coopérants) utilisées dans l'essai ont leur chemin de roulement rec- tifié, de sorte que leur rugosité Rmax est de 0,4 à 4 vm (la rugosité est indiquée par S sur les figures 5 à 7). La piste extérieure de chaque palier d'essai a une rugosité de surface Rmax de 1,6 km. Les autres conditions d'essai sont les suivantes: - charge radiale sur le palier: 1465 daN, - vitesse de rotation: 3050 tr/min., - lubrifiant: huile turbine (10 mm2/s dans les conditions d'essai). Les résultats de l'essai de durée de vie sont indiqués sur les figures 5 à 7, sur lesquelles le"taux de défaillance cumulé" est le taux de défaillance des éléments de roulement essayés. Par exemple, un taux de défaillance de 10 % signifie que 10 % des éléments de roulement ont présenté un défaut, tandis que les autres 90 % ont résisté. Comme le montrent les résultats, le palier d'es- sai C conforme à la présente invention possède une longue durée de vie quelle que soit la rugosité (0,4; 2 ou 4 Pm) de la surface de l'arbre coopérant. On constate une durée de vie particulièrement longue lorsque l'arbre coopérant a une rugosité de surface Rmax de 2 ou 4 km. On n'observe pas d'écaillage sur la surface du palier d'essai C. Un tel écaillage est souvent observé dans le cas d'un roulement entre une surface rugueuse et une surface finie. Le tableau 3 indique le paramètre de film d'huile A qui représente les conditions d'un film d'hui- le formé sur les éléments de roulement et qui a été cal- culé au moyen de la formule de Grubin, c'est-à-dire h o A = COl2 C22 dans laquelle A est la valeur du paramètre de film d'hui- le, oa et c2 sont les valeurs Reff et hO est l'épaisseur de la couche de film d'huile. TABLEAU 3 "URosité de surface de --l'arbre associé 4 lim 2 pim 0,4 iim Rouleau Palier d'essai A 0,78 1,27 2,03 Palier d'essai B 0,78 1,30 2,17 Palier d'essai C 0,67 0,91 1,10 Les résultats montrent que la valeur A. pour cha- que élément de roulement est fortement influencée par la rugosité de surface de l'arbre associé. Si la rugosité de surface Rmax de l'arbre associé est de 2 Vm, la va- - leur A est comprise entre 0,91 et 1,30. La figure 8 illustre d'une manière générale la relation entre la valeur A et le rapport de la couche de film d'huile formée sur.l'élément de roulement. On pen- sait et cela apparaît également sur ce graphique que plus la valeur A était grande, plus le rapport de film d'huile était élevé. Toutefois, les résultats d'essai suggèrent que la valeur A n'est pas le seul facteur qui détermine le rapport de film d'huile. Sur la figure 8, la région X est la région dans laquelle des détériorations de surface se produisent; la région Y est celle o le palier est habituellement utilisé; et la région Z est celle o la durée de vie tend à augmenter. Conditions d'essai Pression maximale à la surface de contact: 227 daN/mm2 Vitesse périphérique: 4,2 m/s (2000 tr/min. Lubrifiant: huile turbine (10 mm2/s) dans les conditions d'essai) Nombre de charges répétées: 4,8 x 105 (en 4 heures). Les figures 9 et 10 illustrent les résultats de mesure du rapport de film d'huile. Les résultats montrent que, avec le palier d'essai C conforme à la présente in- vention, le rapport au début du fonctionnement est aug- menté de 20 % environ par rapport au palier d'essai A. On observe également qu'un film d'huile sensible- ment sans défaut est formé lorsque le nombre de charges répétées atteint 1,2 x 105. De plus, on n'observe aucune détérioration sur la surface finie des éléments de roulement du palier d'essai C conforme à la présente invention, tandis qu'on observe un certain nombre d'écaillages d'une longueur de 0,1 mm environ sur la surface des éléments de roulement du palier d'essai A. La figure 11 représente le deuxième exemple d'un palier à roulement 1 qui est sous la forme d'un palier à rouleaux coniques comportant des éléments de roulement coniques 12 montés de façon tournante entre son anneau extérieur 13 et son anneau intérieur 14. La surface de roulement 2a de chaque élément de roulement 12 présente de fines rugosités dans des direc- tions quelconques, de la même manière que l'élément de roulement 2. Les surfaces de contact de roulement de l'anneau extérieur 13 et de l'anneau intérieur 14 sont finies par rectification usuelle. Le palier à rouleaux coniques du deuxième exem- ple; comportant des éléments de roulement à surface ru- gueuse fine d'orientation quelconque (qui correspond au palier d'essai C), et un palier à rouleaux coniques com- portant des éléments de roulement à surface de roulement finie par rectification usuelle (qui correspond au pa- lier d'essai A) sont préparés afin de vérifier l'état des films d'huile sur les éléments de roulement. On sou- met ces paliers d'essai à un essai d'écaillage accéléré au moyen d'un appareil d'essai à deux cylindres, de la même manière que pour le premier exemple. Dans ce dernier exemple, on obtient les mêmes résultats d'essai que dans le cas des figures 9 et 10. L'écaillage se forme de la même manière que dans le pre- mier exemple. Les figures 12 et 13 illustrent les résultats de mesure du couple agissant sur les paliers d'essai A et C. Chaque élément de roulement conique 12 du palier d'essai C conforme à la présente invention présente sur toute sa surface extérieure, comprenant une face d'extré- mité de grand diamètre 12a en contact avec un épaulement 14a de l'anneau intérieur 14, une rugosité fine et orien- tée de façon quelconque. Comme on le voit sur les figures 12 et 13, le couple agissant sur le palier à rouleaux coniques confor- me à la présente invention est inférieur de 30 % envi- ron à celui d'un palier usuel. Le couple est particulière- ment faible dans le cas d'utilisation à faible vitesse et sous forte charge, conditions dans lesquelles un film d'huile est difficile à former. La figure 14 illustre un troisième exemple d'un palier à rouleaux, dans lequel le palier 1 est sous la forme d'un palier à rouleaux cylindriques et comporte des éléments de roulement cylindriques 22 sont la surfa- ce de roulement 2a présente une fine rugosité dans des directions quelconques. Les surfaces de roulement de son anneau extérieur 23 et de son anneau intérieur 24 sont finies par rectification usuelle. Les deux faces d'extrémité 22a de chaque élément de roulement cylindrique 22 du palier à rouleaux cylin- driques de cet exemple, qui sont en contact avec des épaulements 23a formés sur l'anneau extérieur 23, ainsi que la surface de roulement 2a, présentent de fines rugosités orientées de façon quelconque. Les résultats des essais sont les mêmes que ceux du deuxième exemple. REVENDICATION 1. Elément de roulement (2) utilisable dans un palier à roulement, caractérisé en ce que ledit élément de roulement présente une surface (2a) comportant une multiplicité de très petites cavités formées de façon quelconque, de sorte que le rapport Reff(L)/R ff(C) ne dépasse pas 0,8, Reff (L) étant la valeur efficace de rugosité dans la direction longitudinale et Reff (C) étant la valeur efficace de rugosité de la surface dans la direc- tion circonférentielle, et de sorte que la valeur SK, qui est un autre paramètre de la rugosité de surface, ne dépasse pas -2,0 à la fois dans la direction longitu- dinale et la direction circonférentielle.