Brevet FR2681655A1 — publié le 19930326

L'invention concerne un palier à roulement et, en particulier, un palier à roulement susceptible d'être utilisé efficacement dans des conditions de service dans lesquelles le corps sur lequel est monté le palier à roulement est déformé élastiquement par une force extérieure et la charge à vide est appliquée au palier par suite de la déformation résultante ou dans un domaine o le palier est utilisé à haute température, à grande vitesse et sous forte charge. Dans le cas d'un palier à roulement utilisé, par exemple, dans un alternateur de véhicule automobile, son chemin de roulement extérieur est susceptible de se détériorer, principalement par écaillage et analogue, étant donné que son corps, réalisé en aluminium, est sensible à la déformation élastique due à l'application d'une force extérieure et,'une charge à vide est par suite appliquée D'autre part, dans le cas d'un palier à roulement utilisé dans un embrayage électromagnéti- que, l'arbre est réalisé en aluminium, de sorte que son chemin de roulement intérieur soumis à l'application de la charge à vide est plus susceptible d'être détério- ré en raison de la déformation élastique de l'arbre. On utilise, dans les paliers à roulement classi- ques pour véhicules automobiles, des roulements à bil- les dont les chemins de roulement extérieur et inté- rieur sont réalisés en acier pour paliers, tels qu'un acier au chrome à haute teneur en carbone, d'une teneur en oxygène de 9 ppm environ On applique un traitement thermique standard (appelé "durcissement par trempe intégrale") au chemin de roulement le plus exposé aux détériorations (par exemple le chemin de roulement extérieur dans le cas d'un alternateur ou le chemin de roulement intérieur dans le cas d'un embrayage électromagnétique) en vue d'améliorer sa résistance à la fatigue par contact roulant et on utilise comme lubrifiant du palier une graisse comprenant comme huile de base un lubrifiant à base de polyester synthétique ou un lubrifiant à base de poly-a-oléfine, d'une viscosité cinématique de 30 à 50 10-6 m 2/s à 400 C. A la suite des développements technologiques réalisés au cours de ces dernières années, les paliers utilisés dans les accessoires électriques pour automo- biles tels que les alternateurs et les embrayages élec- tromagnétiques sont soumis à des conditions de service îo de plus en plus sévères En particulier,la sévérité des conditions d'utilisation des paliers employés dans les alternateurs est notablement acrue, tant sur le plan des températures plus élevées que sur celui de la vitesse, en raison des performances accrues des moteurs et de l'augmentation de la charge due à une augmentation de la tension de la courroie Toutefois, les paliers de type classique ne peuvent satisfaire à ces modifications apportées dans les conditions d'uti- lisation, ce qui entraîne fréquemment un problème de réduction de leur longévité en raison de l'écaillage prématuré des surfaces de leurs chemins de roulement extérieurs En conséquence, la nécessité de trouver une solution efficace du problème se fait de plus en plus sentir. Considérant le problème de l'art antérieur décrit plus haut, la présente invention a pour objet de réaliser un palier à roulement résistant à l'écaillage prématuré, même à haute température, à grande vitesse et sous forte charge. Les présents inventeurs ont procédé à une étude intensive du phénomène d'écaillage prématuré des paliers des accessoires électriques pour l'automobile, en particulier des alternateurs, étant donné que, comme décrit plus haut, les conditions d'utilisation de ces paliers sont de plus en plus sévères, ce qui implique la nécessité de procéder à une détermination de certaines causes de ce phénomène d'écaillage prématuré. Cette découverte a conduit à la présente invention. La présente invention fournit par suite un palier à roulement composé d'un chemin de roulement extérieur, d'un chemin de roulement intérieur et d'éléments roulants interposés entre le chemin de roulement extérieur et le chemin de roulement intérieur Le palier à roulement est bourré ou garni d'une composition lubrifiante qui comprend comme huile de base un lubrifiant à base de polyéther possédant une viscosité cinématique de 90 à 160 10-6 m 2/s à 400 C. De préférence, le chemin de roulement extérieur et/ou le chemin de roulement intérieur du palier à roulement est réalisé à partir d'un acier ayant une teneur en oxygène ne dépassant pas 6 ppm et dont la surface de roulement a été trempée à la dureté nécessaire par un traitement thermique Le lubrifiant à base de polyéther peut être, par exemple, un lubrifiant de polyphényléther, par exemple, un lubrifiant à base d'éther polyalkyldiphénylique. Le palier à roulement selon la présente invention apporte de nombreux avantages En particulier, l'emploi comme huile de base d'un lubrifiant de polyéther d'une viscosité cinématique de 90 à 160 10-6 m 2/s à 400 C, même dans des conditions sévères de haute température, de grande vitesse et de forte charge, a pour effet de présenter l'avantage de conserver une pellicule d'huile d'épaisseur adéquate entre les éléments roulants et les chemins de roulement, ce qui permet d'empêcher effica- cement le phénomène d'écaillage prématuré des paliers. Cet avantage peut même être accru si les chemins de roulement des paliers à roulement sont réalisés en acier d'une teneur en oxygène ne dépassant pas 6 ppm et si les surfaces des chemins de roulement sont trempées à la dureté nécessaire par un traitement thermique. D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture des modes de réalisation de l'invention, faite à titre non limitatif et en regard des dessins annexés, dans lesquels: Fig 1 est une vue en coupe transversale verticale d'un roulement à billes radial fermé hermétiquement, décrit plus loin dans l'exemple 1; Fig 2 est une vue en coupe transversale du palier de la Fig 1, prise suivant la ligne II-II de la Fig 1; Fig 3 est un diagramme représentant les différences de longévité des paliers dues aux différences de composition des lubrifiants garnissant chaque palier; Fig 4 est un graphique illustrant les effets de l'augmentation de la longévité du palier dû à la trempe superficielle par cémentation des chemins de roulement du palier; et Fig 5 est un graphique illustrant l'effet sur la longévité du palier d'une réduction de la teneur en oxygène de l'acier à roulements. Parmi les causes de phénomène d'écaillage prématuré des paliers, il existe, en particulier, une très forte corrélation entre le type et la viscosité de l'huile de base contenue dans la graisse utilisée comme lubrifiant et le phénomène d'écaillage prématuré On observe un écaillage accentré avec des graisses dont les huiles de base ont une viscosité cinématique inférieure à 90 10-6 M 2/s à 400 C étant donné que ces graisses risquent de ne pas assurer la formation d'une pellicule d'huile d'épaisseur requise dans les conditions d'utilisation à haute température, à grande vitesse et sous forte charge décrites plus haut et par suite, de ne pas assurer les effets d'amortissement appropriés Par contre, on a trouvé que l'utilisation, comme huile de base, d'un lubrifiant de polyéther d'une viscosité cinématique d'au moins 90 1 î 06 m 2/s, mais ne dépassant pas 160 10-6 m 2 à 40 C assurait le maintien d'une pellicule d'huile d'une épaisseur efficace, même à haute température et à grande vitesse, tout en conservant un indice de viscosité sous pression efficace sous forte charge, ce qui permettait d'empêcher efficacement le phénomène d'écaillage prématuré des paliers Par ailleurs, les viscosités cinématiques supérieures à 160 10-6 m 2 à 400 C ont tendance à être la cause d'une résistance excessive à l'agitation des graisses de remplissage ou de garnissage lorsque le palier est en service, ce qui accentue le phénomène d'échauffement et d'augmentation du couple Ces hautes viscosités cinématiques ne sont donc pas souhaitées. Une autre cause est l'influence constatée des impuretés de l'acier employé comme matériau pour paliers On a trouvé également que l'emploi d'un matériau de haute pureté dont la teneur totale en impuretés de ce genre était réduite à une teneur en oxygène inférieure à 6 ppm permettait d'empêcher efficacement le phénomène d'écaillage prématuré. De plus, on a trouvé que l'application d'un traitement thermique tel qu'une cémentation, carbonitruration ou trempe par induction de la surface de contact d'un chemin de roulement extérieur sollicitée par la charge à vide permettait une diffusion des atomes de carbone dans la couche supérieure de la surface de roulement, ce qui entraînait un renforcement par solution solide, une augmentation de la teneur en austénite résiduelle et le développement d'une fatigue de compression résiduelle qui contribuaient efficacement à la prévention du phénomène d'écaillage prématuré. A partir de ces résultats, les présents inventeurs ont réalisé la présente invention comme mentionné plus haut La présente invention va maintenant être décrite d'une façon plus détaillée en se basant sur les exemples suivants Il est toutefois entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples suivants ou par ces derniers. Exemple 1 la Fig 1 est une vue en coupe transversale verticale d'un roulement à billes radial (roulement JIS No 6303) selon un premier mode de réalisation de l'invention, tandis que la fig 2 est une vue en coupe transversale prise suivant la ligne Il-II de la Fig l. Des éléments roulants 3 sont interposés entre un chemin de roulement extérieur 1 et un chemin de roulement intérieur 2 Les éléments roulants 3 sont montés à rotation par des cages ondulées 5, solidarisées par des rivets d'assemblage 4 Une graisse lubrifiante G est introduite entre le chemin de roulement intérieur 2 et le chemin de roulement extérieur 1 et est retenue de façon étanche par des moyens d'étanchéité 6 en forme de joint. En utilisant ce roulement comme échantillon, on a constaté des différences de durée de résistance à l'écaillage qui dépendaient essentiellement des différences de composition entre les lubrifiants remplissant le roulement. L'essai a été effectué sous forme d'un essai réel sur un banc d'essai dans lequel l'échantillon avait été monté sur le côté de la poulie d'alternateur, et on a observé la présence ou l'absence d'écailllage sur chaque chemin de roulement après un temps de fonctionnement prédéterminé La vitesse de rotation a été modifiée entre 9 000 tours/minute et 18 000 tours/minute toutes les dix secondes, de manière à effectuer un essai d'endurance à accélération- décélération rapide. Un roulement selon la présente invention a été garni d'une graisse utilisée comme composition lubrifiante, ladite graisse contenant, comme huile de base, un lubrifiant de polyalkyldiphényléther d'une viscosité cinématique comprise dans la gamme de go 10-6 m 2/s à 160 c St à 40 C L'acier utilisé avait une teneur en oxygène de 6 ppm, c'est-à-dire qu'il s'agissait d'un acier cémenté de haute pureté La surface de roulement du chemin de roulement extérieur avait été soumise à une cémentation. Le palier de l'exemple comparatif 1 était garni d'une graisse constituée par une composition lubrifiante, ladite graisse contenant, comme huile de base, un lubrifiant de polyester d'une viscosité cinématique comprise dans la gamme de 30 à 50 10-6 m 2/s à 400 C L'acier utilisé était un acier pour palier au chrome à haute teneur en carbone, d'une teneur en oxygène de 9 ppm La surface de roulement du chemin de roulement extérieur avait fait l'objet d'un traitement thermique standard (durcissement par trempe intégrale). Le palier de l'exemple comparatif 2 avait été garni d'une graisse constituée par une composition lubrifiante, ladite graisse contenant, comme huile de base, un lubrifiant de poly-a-oléfine d'une viscosité cinématique comprise dans la gamme de 30 à 50 10-6 m 2/s à 400 C L'acier utilisé avait une teneur en oxygène de 6 ppm, c'est-à-dire qu'il s'agissait d'un acier cémenté de haute pureté La surface de roulement du chemin de roulement extérieur avait été soumise à une cémentation. L'essai a été effectué sur 5 paliers de chacun desdits échantillons En utilisant comme base le temps d'apparition de l'écaillage, on a déterminé tout d'abord, parmi les échantillons de l'exemple comparatif 1, la présence ou l'absence d'écaillage pendant un temps de fonctionnement 5 fois supérieur au temps précédent Les résultats sont reportés sur la Fig 3. Selon les résultats des essais réels sur banc d'essai effectués avec un alternateur, dans des conditions de service sévères, on a constaté l'apparition d'un écaillage à un stade prématuré sur tous les échantillons de l'exemple comparatif 1, correspondant au produit classique Lors de l'exemple comparatif 2 o la composition lubrifiante utilisée était constituée par de la graisse classique, deux échantillons sur cinq ont présenté des signes d'écaillage à un stade préma-turé, bien que l'acier utilisé et le traitement thermique appliqué étaient identiques à ceux des échantillons de paliers selon la présente invention. Par contre, les paliers-échantillons selon la présente invention étaient exempts d'écaillage, ce qui démontrait de façon évidente les effets certains de l'augmentation de la longévité des paliers grâce à l'emploi d'un lubrifiant conforme à la présente invention. Exemple 2 Les effets de l'augmentation de la durée de service des paliers grâce à une cémentation ont été établis. Les échantillons utilisés étaient des roulements de butée à billes Un essai comparatif de longévité a été effectué sur des roulements équipés de chemins de roulement en acier au chrome à haute teneur en carbone (SUJ 2), de type classique, soumis à une trempe entière brusque et des roulements équipés de chemins de roulement en acier au chrome (S Cr 420), soumis à une cémentation Les résultats de l'essai de longévité comparative sont présentés sur le diagramme de Weibull de la Fig 4. Les échantillons ont été montés sur un appareil d'essai de durée du type à butée et soumis aux conditions d'essai suivantes: Effort hertzien maximal (Pmax) 560 kgf/mm 2 Vitesse de rotation (N): 3000 tr/min Lubrifiant: Huile pour turbines #f 150 Température: 125 130 C Les effets de l'augmentation de la durée de service des paliers dûs à la cémentation apparaissent clairement sur la Fig 4. Les différences réelles de longévité dues aux différences de teneur en oxygène des aciers employés dans la fabrication des paliers (c'est- à-dire les taux d'impuretés des aciers ou, en d'autres termes, le degré de pureté des aciers) ont été constatées. On a utilisé comme échantillons des roulements de butée à billes comme dans l'exemple 2 En utilisant un appareil d'essai de durée du type à butée, l'essai a été effectué dans les conditions suivantes sur des échantillons réalisés en acier classique d'une teneur en oxygène de 9 ppm, ainsi que sur des échantillons réalisés en acier de haut degré de pureté, d'une teneur en oxygène de 6 ppm. Effort hertzien maximal (Pmax): 500 kgf/mm 2 Vitesse de rotation (N): 1000 tr/min Lubrifiant Huile pour turbines # 68 Les résultats sont présentés sur le diagramme de Weibull de la Fig 5. D'après la figure, les effets d'augmentation de la durée dûs à un acier à haut degré de pureté, d'une teneur en oxygène de 6 ppm sont évidents. Dans les modes de réalisation décrits plus haut, le traitement thermique appliqué consistait en une cémentation On peut également utiliser efficacement la carbonitruration, le chauffage par induction, un traitement thermique standard et analogue. Il faut noter que les paliers à roulement selon la présente invention ne sont pas limités aux roulements à billes des précédents exemples, mais qu'ils comprennent des roulements à billes d'autres types ainsi que les roulements à rouleaux. De plus, la présente invention peut s'appliquer également aux paliers à roulement du type dans lequel il n'est pas prévu d'organe d'étanchéité monté directement sur les paliers. Dans le palier à roulement selon la présente invention, on peut ajouter à la composition de lubrifiant des additifs connus, en fonction des besoins Ces additifs connus comprennent des épaississants, des inhibiteurs d'oxydation, des agents anti-rouille, des additifs pour pressions extrêmes, des agents d'onctuosité, des inhibiteurs de corrosion, des lubrifiants solides, etc On peut ajouter, par exemple, du nitrite de sodium comme agent anti-rouille. il REVENDICATIONS 1 Un palier à roulement composé d'un chemin de roulement extérieur ( 1), d'un chemin de roulement intérieur ( 2) et d'éléments de roulement ( 3) interposés entre le chemin de roulement extérieur et le chemin de roulement intérieur, caractérisé en ce que le palier est garni ou rempli d'une composition lubrifiante (G) contenant, comme huile de base, un lubrifiant de polyéther d'une viscosité cinématique de 90 à 160 1 o 6 m 2/s à 40 C 2 Le palier à roulement selon la revendication 1, dans lequel le le chemin de roulement extérieur et/ou le le chemin de roulement intérieur du palier à roulement est réalisé en acier d'une teneur en oxygène ne dépassant pas 6 ppm, dont la surface de contact ou de roulement a été trempée à la dureté nécessaire par traitement thermique. 3 Le palier à roulement selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le lubrifiant à base de polyéther est un lubrifiant à base de polyphényléther. 4 Le palier à roulement selon la revendication 3, dans lequel le lubrifiant à base de polyphényléther est un lubrifiant à base d'éther polyalkyldiphénylique.