Brevet FR2655100A1 — publié le 19910531

J La présente invention concerne des éléments de machine, tels que des paliers à roulement, qui compor- tent une surface de roulement et qui ont une longue durée de vie indépendamment de ce que la surface coopé- rante est une surface rugueuse ou une surface lisse bien finie. La présente invention concerne également un élément de machine ayant une surface de glissement pré- vue pour venir en contact de glissement tout en suppor- tant un effort de poussée, et plus particulièrement un élément de machine tel qu'une rondelle de butée pour un pignon d'un train de réduction épicycloldal monté dans une automobile ou analogue, une rondelle de butée montée dans une transmission, et un organe tournant comportant une collerette pour son positionnement dans une direction de poussée, par exemple un palpeur à galet et un palpeur de came. Il est bien connu que la rugosité de surface de la surface de roulement est l'un des facteurs impor- tants affectant la durée de vie, dans le cas d'une fati- gue par roulement, d'un élément roulant et des anneaux intérieur et extérieur dans un palier à roulement On a donc pensé jusqu'à présent que plus la surface de rou- lement finie était lisse, plus la durée de vie était longue en ce qui concerne la fatigue par roulement Tou- tefois, après des expériences répétées, on a trouvé qu'un élément de roulement ne doit pas nécessairement avoir une surface lisse et bien finie,pour durer long- temps. Un tel élément de roulement peut présenter, sur une surface de roulement, une surface rugueuse com- portant des rayures qui s'étendent dans des directions quelconques et dont la rugosité maximale est de 0,3 à 0,8 grm On a constaté que cet élément de roulement a une durée de vie relativement longue Par contre, si la surface coopérante est une surface bien finie, le film d'huile formé entre les surfaces en contact est insuffi- sant Cela peut provoquer l'usure ou l'écaillement de l'arbre Par suite, on ne peut pas utiliser cet élément de roulement avec un arbre ayant une telle surface de contact bien finie. La figure 17 représente une rondelle de butée utilisée avec un pignon d'un train de réduction épicy- cloldal Un pignon 43 est monté de façon tournante sur un axe 41 par l'intermédiaire d'un roulement à aiguilles 42. Des anneaux de maintien 44 sont fixés sur la périphérie extérieure de l'axe 41, de chaque côté du pignon 43 Des rondelles de butée 45 sont montées entre les anneaux de maintien 44 et le pignon 43. Les rondelles de butée 45 présentent, sur leurs deux faces, des surfaces de glissement prévues pour ve- nir en contact de glissement avec le pignon 43 et les anneaux de maintien 44 tout en supportant des efforts de poussée Par conséquent, de telles rondelles de butée doivent avoir des propriétés anti-grippage élevées. Comre représenté sur la figure 18, on utilise donc une rondelle de butée 45 dans les surfaces de glis- sement de laquelle sont ménagées des gorges radiales 46, pour faciliter l'écoulement du lubrifiant sur les surfa- ces de glissement. D' autre part, afin d'éviter le grippage, on a également apporté des améliorations en ce qui concerne les matières pour les rondelles de butée Par exemple, pour une rondelle de butée, on adopte une matière ten- dre telle que du cuivre. Toutefois, avec une rondelle de butée compor- tant des gorges 46 ménagées dans ses surfaces de glis- sement, si la quantité de lubrifiant est faible, la lu- brification est médiocre dans les parties éloignées des gorges 46 Il peut en résulter un grippage partiel Au- trement dit, cette disposition ne peut pas éviter effi- cacement le grippage. Si on augmente le nombre de gorges 46, la sur- face de contact diminue, ce qui réduit la charge de pous- sée admissible Cette solution n'est donc pas intéres- sante. D'autre part, une rondelle de butée en ma- tière tendre présente un inconvénient en ce que la pres- sion superficielle admissible est faible Une telle ron- delle de butée n'est donc pas non plus intéressante. Un objet de la présente invention est de pro- curer un élément de roulement pour un palier à roulement, qui permet à un film d'huile de se former facilement et qui possède une longue durée de vie indépendamment de ce qu'il est utilisé en contact avec une surface rugueuse ou avec une surface lisse. Un autre objet de la présente invention est de procurer un élément de machine qui permet une formation suffisante d'un film d'huile sur des surfaces de glisse- ment prévues pour venir en contact de glissement tout en supportant des efforts de poussée, qui peut éviter le grippage par amélioration de la lubrification, et qui peut augmenter la durée de vie utile et accroître la charge de poussée admissible. Conformément à la présente invention, la sur- face de l'élément de roulement comporte unemultiplicité de très petites cavités, formées de façon quelconque La valeur d'un paramètre SK, défini plus loin, est fixée à une valeur négative, à la fois dans la direction longi- tudinale et la direction circonférentielle De plus, le rapport de la surface des cavités à la surface totale est de 10 à 40 % Cela accroit le taux de formation de film d'huile et la surface coopérante reste exempte de formation d'écailles et d'usure, quelle que soit sa ru- gosité de surface Ainsi, sa durée de vie est plus Longue. Dans les surfaces de glissement de l'élément de machine prévu pour venir en contact de glissement tout en supportant une poussée, une multiplicité de très pe- tites cavités indépendantes sont formées dans des direc- tions quelconques Les cavités ont une surface moyenne de 35 à 150 wm 2 et elles représentent de 10 à 40 % de la surface totale Ainsi, le taux de formation de film d'huile est meilleur, ce qui empêche l'élévation de tempé- rature et donc le grippage Il en résulte une augmenta- tion de la durée de vie de l'élément de machine. Les très petites cavités formées de façon quel- conque facilitent la formation du film d'huile Elles servent également de réserves d'huile, ce qui rend plus sûre la formation du film d'huile sur les surfaces de glissement Cela réduit le couple pendant la rotation. Puisque le film d'huile peut être formé de façon efficace et sûre sur les surfaces de glissement, l'élément de machine possède une résistance accrue au grippage, et le couple et l'élévation de température peuvent être ré- duits Du fait de la réduction du couple et de l'a- mélioration de la résistance au grippage, on peut uti- liser une matière dure L'élément de machine peut donc supporter une plus grande pression superficielle Il en résulte une amélioration de la valeur PV de seuil, P étant la pression de contact et V la vitesse de glisse- ment. D'autres aspects et objets de la présente in- vention apparaîtront à la lumière de la description ci- après, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une coupe d'un premier exemple d'un palier à roulement; la figure 2 est une coupe d'un deuxième exem- ple d'un palier à roulement; les figures 3 et 4 sont des graphiques illus- trant la rugosité de surface des éléments de roulement essayes; la figure 5 est une coupe d'un roulement à ai- guilles utilisé dans les essais de durée de vie; la figure 6 est une vue schématique d'un dis- positif d'essai de la durée de vie; les figures 7 et 8 sont des graphiques illus- trant les résultats des essais de durée de vie; les figures 9 à 13 sont des coupes d'autres modes de réalisation de la présente invention; la figure 14 est un graphique illustrant la rugosité de surface des surfaces de glissement de l'élé- ment de machine; la figure 15 est une coupe d'un roulement à rouleaux coniques; les figures 16 A et 16 B sont des graphiques il- lustrant les mesures du rapport de surface des petites cavités, du couple de rotation du roulement, et de la ré- sistance au grippage; la figure 17 est une coupe verticale d'un élément de machine suivant l'art antérieur; et la figure 18 est une vue en perspective d'une rondelle de butée suivant l'art antérieur. La figure I représente, comme premier exemple d'un palier à roulement 1, un roulement à rouleaux cylin- driques comprenant des éléments de roulement cylindriques 4 montés entre un anneau intérieur 2 et un anneau exté- rieur 3. La figure 2 représente, comme deuxième exemple d'un palier à roulement 1, un roulement à aiguilles I com- prenant des éléments de roulement cylindriques 4 montés dans un anneau extérieur 3 pour supporter un arbre 5 Dans ce deuxième exemple, l'arbre 5 correspond à l'anneau in- térieur 2 du premier exemple et la surface périphérique extérieure de l'arbre 5 sert de surface de roulement a. Dans chaque exemple du palier à roulement 1, la surface de l'élément de roulement 4 ou la surface de roulement d'au moins un élément parmi l'anneau inté- rieur 2, l'anneau extérieur 3 et l'arbre 5, présente une surface rugueuse 6 comportant de très petites cavités disposées dans des directions quelconques La surface rugueuse doit avoir une rugosité déterminée de sorte que le rapport RMS(L) /RMS(C) ne soit pas supérieur à 1,0, par exemple 0,7 à 1,0, RMS(L) et RMS(C) représentant la valeur efficace, ou racine carrée du moyen carré, de la rugosité de la surface de roulement dans la direc- tion longitudinale et la direction circonférentielle, respectivement La valeur SK, qui est un autre paramè- tre de rugosité de surface, doit être inférieure à zéro à la fois dans la direction longitudinale et la direction circonférentielle. Une surface de roulement ayant une rugosité comme défini ci-dessus peut être obtenue par traitement de surface spécial en tonneau. La valeur SK représente la distorsion de la courbe de distribution de la rugosité de surface Si la courbe de distribution de la rugosité est symétrique, comme une courbe de distribution de Gauss, la valeur SK est zéro On a trouvé qu'un film d'huile peut être plus facilement formé si les valeurs SK dans les directions longitudinale et circonférentielle sont inférieures à zéro. La surface totale des petites cavités doit représenter de 10 à 40 % de la surface totale de la sur- face de roulement La surface moyenne des petites cavi- tés doit être de 35 à 150 *m 2, calculée sans tenir compte des plus petites cavités ayant un diamètre équivalent de 3 gm ou moins. La figure 3 illustre l'état de la surface fi- nie d'un palier standard et la figure 4 illustre celui de l'élément de roulement conforme à la présente in- vention. On peut effectuer une mesure quantitative des très petites cavités, par agrandissement de la surface de roulement sur un élément de roulement et analyse de l'i- mage agrandie, au moyen d'un système d'analyse d'image du commerce. Les parties blanches et les parties noires sont déterminées comme représentant les parties planes et les petites cavités, respectivement Dans l'analyse au moyen d'un système d'analyse d'image, la lumière et l'ombre de l'image originale sont exagérées à l'aide d'un filtre de contraste, et Les très petits points noirs d'un dia- mètre de 3 jum ou moins sont effacés à l'aide d'un ef- faceur de bruit On vérifie ensuite les petites cavités qui restent après effacement, en ce qui concerne la dimension et la répartition, et on détermine le rapport de la surface des petites cavités à la surface totale, pour évaluer la qualité de la surface de roulement de l'é- lément de roulement et des anneaux intérieur et extérieur. On a traité les éléments de roulement du pa- lier à aiguilles pour former, dans leur surface, des pe- tites cavités ayant différents rapports de surface re- lativement à la surface totale, différentes surfaces mo- yennes et différents diamètres moyens équivalents On a essayé ces éléments de roulement sous une charge radiale, en ce qui concerne la durabilité. Le palier à aiguilles utilisé pour les essais comportait quatorze éléments de roulement 4 tenus dans une cage 7 et il avait un diamètre extérieur (Dr) de 38 mm, un diamètre intérieur (dr) de 28 mm, un diamètre (D) de l'élément de roulement 4 de 5 mm, et une longueur (L) de 13 mm, comme indiqué sur la figure 5. Le dispositif d'essai de durée de vie utilisé était un appareil d'essai à charge radiale 11, repré- senté sur la figure 6 Les roulements à essayer étaient montés aux deux extrémités d'un arbre rotatif 12 et essayés en rotation sous charge. La piste intérieure (ou l'arbre coopérant) utilisée dans l'essai présentait une surface finie par rectification à une valeur Rmax de 0,4 à 4 am La piste extérieure utilisée présentait une surface finie par rec- tification à une valeur Rmax de 1,6 pm. Les conditions d'essai étaient les suivantes: Charge radiale 1465 da N Vitese de rotation 3050 tr/min Lubrifiant huile turbine Le graphique de la figure 7 illustre la rela- tion entre le rapport de surface et la durée de vie, et le graphique de la figure 8 illustre la relation entre la surface moyenne et la durée de vie. Ces graphiques montrent que le rapport de la durabilité (L 1 o) à la durée de vie calculée (Lh) est su- périeur à 4 lorsque le rapport de surface n'est pas infé- rieur à 10 % et que la surface moyenne n'est pas inférieu- re à 35 gm 2 Plus précisément, les petites cavités sont efficaces pour augmenter la durée de vie lorsque le rap- port de surface et la surface moyenne ne sont pas infé- rieurs à ces valeurs. Bien que les essais ci-dessus aient été effec- tués sur l'élément de roulement d'un palier à aiguilles présentant de petites cavités, des effets similaires sur la durabilité ont été vérifiés sur des paliers à roulement dont les anneaux intérieur ou extérieur et la surface de roulement présentaient de petites cavités. Si le rapport de surface est supérieur à % et la surface moyenne est supérieure à 120 pm 2, la longueur de contact effective diminue et l'effet des pe- tites cavités sur la durée de vie diminue. On se reporte maintenant aux figures 9 à 13 qui représentent des éléments de machine conformes à la présente invention, ayant des surfaces de glissement prévues pour venir en contact de glissement tout en sup- portant une poussée axiale Les figures 9 à 13 illus- trent des exemples spécifiques des éléments de machine. Les figures 9 et 10 représentent des rondel- les de butée 21 prévues pour être montées sur un pignon dans un train de réduction épicycloidal d'une automo- bile, comme représenté sur la figure 17. Comme représenté sur la figure 9, des gorges 22 peuvent être ménagées dans les surfaces de glissement, de chaque côté de l'élément de machine En variante, comme représenté sur la figure 10, les surfaces de glis- sement peuvent être planes. La figure 11 représente un pignon 23 qui est également utilisé dans un train de réduction épicyclol- dal Les deux surfaces latérales du pignon servent de surfaces de glissement. La figure 12 représente une structure de mon- tage d'engrenage dans une transmission Afin de monter un engrenage 26 sur un arbre 24 par l'intermédiaire d'un roulement à rouleaux 25, on monte de façon fixe, sur l'arbre 24, un élément tournant 28 comportant une colle- rette 27 à une extrémité, pour positionner l'engrenage 26 dans une direction de poussée axiale La surface in- térieure de la collerette 27 de l'élément tournant 28 et la face d'extrémité de l'engrenage 26 servent de surfaces de glissement. La figure 13 représente un palpeur de came Un galet palpeur 31 est monté de façon tournante sur un axe 29, par l'intermédiaire de roulements 30 Des collerettes 32 sont prévues autour de l'axe 29, de part et d'autre du galet palpeur 31, de manière à positionner celui-ci dans une direction axiale Les deux faces du palpeur de came 31 et les côtés des collerettes 32 servent de sur- faces de glissement. Les éléments de machine décrits ci-dessus sont fabriqués en une matière dure et une multitude de très petites cavités indépendantes et disposées dans des di- rections quelconques sont formées dans leurs surfaces de glissement, par un traitement spécial en tonneau, pour engendrer des surfaces rugueuses a. La figure 14 est un graphique illustrant la rugosité des surfaces rugueuses a Comme on le voit sur cette figure, les surfaces rugueuses comportent des cavi- tés mais aucune saillie n'existe au-dessus de leur plan. Chacune des petites cavités dans les surfaces rugueuses a présente une surface moyenne de 35 à 150 pm 2. La surface totale des cavités doit représenter de 10 à % de la surface totale. Les surfaces rugueuses ont une valeur Rmax mo- yenne de 0,6 à 2,5 gm et une valeur SK (qui est un para- mètre de la rugosité de surface) ne dépassant pas -1,6. La valeur du paramètre SK doit être dans une plage telle que les cavités sont configurées et répar- ties de sorte que le film d'huile peut se former plus efficacement Pendant un contact de glissement ou un contact de roulement, les cavités servent de réserves d'huile pour fournir de l'huile à la région de contact. On saitque la valeur PV (P: pression de con- tact, V: vitesse de glissement) est particulièrement grande lorsque, dans un palier à rouleaux coniques com- me représenté sur la figure 15, les extrémités de grand diamètre des rouleaux coniques 33 sont en contact de glissement avec une collerette de grand diamètre 35 de l'anneau intérieur 34 On a donc utilisé des roulements à rouleaux coniques pour mesurer la résistance au frot- tement de glissement et la résistance au grippage des il surfaces rugueuses. Chacun des roulements utilisés comprenait un an- neau extérieur de 72 mm de diamètre extérieur et un an- neau intérieur de 30 mm de diamètre intérieur Des petites cavités étaient formées dans les surfaces de roulement respectives, avec différents rapports de surface, et on a procédé à des essais comparatifs. La résistance au frottement de glissement,dans la région de glissement, était exprimée en termes de couple de rotation du roulement La caractéristique anti- grippage était exprimée en termes du temps écoulé jus- qu'à ce que le grippage se produise, avec application de lubrifiant en très petite quantité Les résultats sont indiqués sur les figures 16 A et 16 B. Comme on le voit sur ces figures, lorsque le rapport de surface des cavités à la surface totale est de % ou plus, les cavités peuvent avoir un effet favorable sur la résistance de frottement et la résistance au grip- page. En outre, dans le cas d'un élément de machine dans lequel une région de contact de glissement et une surface de roulement d'un palier à rouleaux sont situées l'une près de l'autre, comme représenté sur la figure 12, des moyens spéciaux tels qu'un masquage sont nécessaires pour soumettre seulement la surface de glissement à un traitement de surface spécial Cela entraîne une aug- mentation du coût Il est donc préférable qu'un tel traitement de surface spécial puisse augmenter la durée de vie de l'élément de machine. On décrit maintenant les effets des surfaces rugueuses pour un contact de roulement. Le palier utilisé pour cet essai était un pa- lier à aiguilles, comme représenté sur la figure 5 On a préparé des rouleaux 4 dont les surfaces comportaient de petites cavités, avec différents rapports de surface et différentes surfaces moyennes, et on les a soumis à un essai de durée de vie sous charge radiale On a uti- lisé l'appareil d'essai de durée de vie représenté sur la figure 6. Les pistes intérieures utilisées dans cet es- sai étaient rectifiées à une valeur Rmax de 2 Vm Les pistes extérieures étaient finies à une rugosité Rmax de 1,6 am. Les autres conditions d'essai étaient les suivantes charge radiale sur le palier 1465 da N vitesse de rotation de l'arbre 3050 tr/min lubrifiant huile turbine Les résultats de l'essai de durée de vie sont indiqués sur les figures 7 et 8. La figure 7 illustre la relation entre la durée de vie et le rapport de surface des petites cavi- tés, et la figure 8 illustre la relation entre la sur- * face moyenne des petites cavités et la durée de vie. Les résultats d'essai montrent que la durée de vie tend à être longue si le rapport de surface est de % ou plus et si la surface moyenne est de 35 1 m 2 ou plus. D'autre part, même si le rapport de surface est de 40 % ou plus et si la surface moyenne est de 150 j Jm 2 ou plus, on ne peut pas obtenir une plus longue durée de vie car la surface de contact effective dimi- nue. Il faut effectuer un traitement de surface spécial pour obtenir toutes les caractéristiques de ré- sistance de frottement de glissement, d'antigrippage et de durée de vie en fatigue par roulement. Il est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans laforme et la construction des éléments suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. REVENDI CATIONS 1. Elément de machine présentant une surface de roulement prévue pour venir en contact de roulement, caractérisé en ce que ladite surface de roulement com- porte une pluralité de très petites cavités disposées de façon quelconque; en ce que la valeur d'un paramètre de rugosité SK est inférieure à zéro à la fois dans la direction longitudinale et la direction circonférentielle; et en ce que le rapport de la surface desdites cavités à la surface de roulement totale est de 10 à 40 %, ladite valeur SK représentant la distorsion d'une courbe de dis- tribution de la rugosité de surface dans les directions longitudinale et circonférentielle. 2. Elément de machine présentant une surface de glissement prévue pour venir en contact de glissement tout en supportant une charge, caractérisé en ce que la dite surface de glissement comporte une pluralité de très petites cavités disposées de façon quelconque; en ce que la valeur du paramètre SK est inférieure à zéro à la fois dans la direction longitudinale et la direc- tion circonférentielle; et en ce que le rapport de la surface desdites cavités à la surface de glissement to- tale est de 10 à 40 %, ladite valeur SK représentant la distorsion d'une courbe de distribution de la rugosité de surface dans les directions longitudinale et circon- férentielle. 3 Elément de machine suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de machine est un palier à roulement ( 1) comprenant un anneau extérieur ( 3), un anneau intérieur ( 2) et des éléments de roule- ment ( 4 X, ladite surface de roulement ( 6) étant au moins l'une des surfaces comprenant la surface de piste dudit anneau extérieur, celle dudit anneau intérieur, et la sur- face de roulement desdits éléments de roulement. 4. Elément de machine suivant la revendica- tion 2, caractérisé en ce que ledit élément de machine est un palier à roulement comprenant un anneau extérieur, un anneau intérieur et des éléments de roulement ( 33), ladite surface de glissement étant au moins l'une des surfaces comprenant la face de butée ( 35) dudit palier à roulement et la surface d'extrémité des éléments de roulement. 5. Elément de machine suivant l'une quelcon- que des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface moyenne desdites cavités est de 35 à 150 gm 2, sans tenir compte des cavités ayant un diamètre équiva- lent ne dépassant pas 3 Im.