Brevet FR2753499A1 — publié le 19980320

ARRIERE PLAN DE L'INVENTION La présente invention concerne un palier de butée à billes comprenant une paire d'anneaux de palier qui effectuent un mouvement de rotation excentrique l'un par rapport à l'autre, et des éléments de roulement interposés entre les surfaces de chemins de roulement formées sur les anneaux de paliers. L'invention concerne ainsi un palier de butée à billes devant être interposé entre deux éléments qui effectuent un mouvement de rotation excentrique l'un par rapport à l'autre, comme dans le cas d'un élément de volute tournant et d'un élément de volute fixe utilisés dans un compresseur à volutes. Par exemple, un compresseur à volutes tel que celui représenté à la figure 5 comprend un élément de volute tournant 11 et un élément de volute fixe 12 qui sont respectivement munis de parois de séparation en forme de vis llb et 12b, la disposition étant telle qu'une chambre de compression P définie entre les parois de séparation en forme de vis llb et 12b, est amenée à changer de volume lorsque se produit le mouvement de rotation excentrique de l'élément de volute tournant 11 (rotation de la volute) par rapport à l'élément de volute fixe 12, ce qui permet ainsi de comprimer le fluide dans la chambre de compression P. L'axe de l'élément de volute tournant 11 et l'axe d'un moteur d'entraînement 15 sont décalés l'un par rapport à l'autre d'une quantité d'excentricité e, de façon que, lorsqu'on fait tourner l'arbre de sortie 15a du moteur d'entrai- nement 15, l'élément de volute tournant 11 effectue une rotation excentrique avec un rayon de révolution qui est égal à l'excentricité e. A ce moment, l'élément de volute tournant 11 est soumis à une force qui le fait tourner sur son axe propre, tandis qu'il est également soumis à une charge de poussée qui produit la compression du fluide. Ainsi, pour empêcher l'élément de volute tournant 11 de tourner sur son axe propre, et pour supporter la charge de poussée, un palier de butée à billes 14 est interposé entre l'élément de volute tournant 11 et l'élément de volute fixe 12 (châssis fixe 13 fixé à l'élément de volute fixe 12 dans la disposition illustrée). Le palier de butée à billes 14 est constitué d'une paire d'anneaux de palier 14a, 14b de la même forme, et d'un certain nombre de billes 14c interposées entre ces anneaux de palier 14a, 14b. Les anneaux de palier 14a, 14b sont fixés à des montages respectifs axialement opposés lla et 13a de l'élément de volute tournant 11 et du châssis fixe 13. Comme représenté à la figure 6, une surface d'extrémité de l'anneau de palier 14a (14b) est munie d'un certain nombre de surfaces de chemins de roulement 14al (14bl) sur la même circonférence. Chaque surface de chemin de roulement 14al (14bl) est annulaire et, par rotation excentrique de l'élément de volute tournant 11, les billes 14c roulent sur les cercles primitifs (PCD) des surfaces de chemins de roulement 14al (14bl). Le diamètre d du cercle primitif (PCD) de chaque surface de chemin de roulement 14al (14bl) est égal à l'excentricité e. L'anneau de palier 14a (14b) de la forme décrite ci-dessus, est fabriqué par exemple à partir d'un flan constitué d'une feuille d'acier, par une série d'étapes de traitement : travail à la presse z traitement thermique (carburation par exemple) > finition des surfaces de chemins de roulement 14al (14bl). I1 est généralement connu que lorsqu'un palier de roulement roule sous une charge, les contraintes répétitives agissant sur la surface de contact de roulement produisent, dans le matériau, des fissures qui conduisent à des fissures (séparation en fentes du fait de la fatigue), ce qui provoque la fin de la durée de vie du contact de roulement. La présente invention a donc pour but de supprimer les fissures des surfaces de chemins de roulement (surfaces de contact de roulement) d'un palier de butée à billes du type décrit ci-dessus, de manière à augmenter la durée de vie du contact de roulement. RESUME DE L'INVENTION On a observé, par de nombreuses expériences, que la plupart des fissures du matériau, qui sont les points de départ des fentes, se produisaient dans une zone située peu profonde à l'intérieur de la surface de contact de roulement. Dans le passé, on pensait que, comme ces fissures croissaient sous un angle d'inclinaison de 450 par rapport à la surface de contact de roulement, pour former des fentes, la valeur maximum T450 (contrainte de cisaillement agissant sur un plan incliné d'un angle de 450 par rapport à la surface de contact de roulement) de la contrainte de cisaillement statique TEST, régissait la durée de vie du contact de roulement. Récemment cependant, on a confirmé que les fissures à l'intérieur du matériau, qui forment les points de départ de fissures, croissaient non pas sous un angle d'inclinaison de 450 par rapport à la surface de contact de roulement, mais essentiellement parallèlement à cette surface, et l'on a pensé que c'est la valeur maximum T0 de la contrainte de cisaillement dynamique Tzy produite par le mouvement de roulement, qui régit la durée de vie du contact de roulement. Comme représenté à la figure 2, la contrainte de cisaillement dynamique Tzy produite par le mouvement de roulement, présente des changements positifs et négatifs de même valeur absolue lorsque le mouvement de roulement de l'élément roulant se produit. Lorsqu'on considère un point intermédiaire P entre les points de charge P1 et P2, on constate qu'au cours du temps (temps T2-T1), une amplitude de contrainte deux fois plus grande que la contrainte de cisaillement maximum tO, agit. Au contraire, la contrainte de cisaillement statique TST est essentiellement d'un seul côté, son amplitude étant inférieure à 220 ; (T450 Compte tenu de ces éléments, la présente invention a pour but de créer une disposition de palier de butée à billes caractérisé en ce que, concernant l'un au moins de la paire d'anneaux de palier d'un palier de butée à billes, qui effectuent un mouvement de rotation excentrique l'un par rapport à l'autre, à n'importe quelle profondeur à partir de la surface de son chemin de roulement, la valeur qui représente sept fois la contrainte de cisaillement dynamique Tzy produite à une certaine profondeur à partir de la surface de chemin de roulement, ne dépasse pas sa dureté à cette profondeur. Cela permet ainsi de supprimer les fissures des surfaces de chemin de roulement, et d'améliorer la durée de vie du contact de roulement. Suivant une autre caractéristique de l'invention, une couche durcie, présentant une dureté Vickers Hv=520, est présente à une profondeur qui n'est pas inférieure à 4 W du diamètre de l'élément de roulement mesuré à partir de la surface de chemin de roulement. La figure 3 représente le résultat d'un test de durée de vie de ce type de palier de butée à billes, le test étant effectué en changeant la profondeur de traitement thermique des anneaux de palier (condition de traitement thermique représentée typiquement par la durée de traitement thermique) . Sur la même figure, la profondeur de traitement thermique représentée sur l'axe horizontal, est indiquée par une valeur (dt/dw) obtenue en divisant la profondeur de traitement thermique dt par le diamètre dw des éléments de roulement. De plus, la profondeur de traitement thermique dt correspond à une profondeur à laquelle il y a une couche durcie présentant une dureté Vickers Hv=520. Par exemple, dans le cas de dt/dw=0,04, il y a une couche durcie de Hv=520 à une profondeur de 0,05 dw à partir de la surface du chemin de roulement. Les conditions dans lesquelles le test a été effectué, étaient : nombre de tours n=1700 tours/minute, charge axiale = 1578 kgf, graissage par éclaboussement, viscosité de l'huile de lubrification = 10 cst, ces conditions étant plus sévères que les conditions de travail habituelles (conditions de travail utilisées dans les machines réelles). Comme représenté à la même figure, lorsque les profondeurs de traitement thermique (dt/dw) étaient de 0,024 et 0,038, la fissure se produisait au bout d'un temps court en provoquant l'expiration de la durée de vie, tandis que lorsque la profondeur de traitement thermique (dt/dw) était de 0,046, on n'observait aucune trace de fissures même 250 heures plus tard, et la durée de vie était allongée dans une très large mesure. Cela prouve qu'il est possible d'aug menter dans une très large proportion la durée de vie du contact de roulement des surfaces de chemin de roulement, en effectuant le traitement thermique de manière à assurer la présence d'une couche durcie, présentant une dureté Vickers Hv=520, à une profondeur qui n'est pas inférieure à 4 W du diamètre dw de l'élément de roulement. La figure 4 représente une distribution de duretés Hv et une distribution de contraintes de cisaillement dynamiques Tzy relevées dans une section verticale passant par le cercle primitif (PCD) de la surface du chemin de roulement. Dans cette figure, la profondeur représentée sur l'axe horizontal indique une valeur (z/dw) obtenue en divisant la profondeur z, mesurée à partir de la surface du chemin de roulement, par le diamètre dw de l'élément de roulement. Les courbes de distribution de duretés correspondent respectivement aux profondeurs de traitement thermique (dt/dw) de 0,024, 0,038 et 0,046 à la figure 3. Comme représenté à la même figure, dans le cas de (dt/dw) = 0,024 et 0,038 pour lequel la durée de vie était courte, la valeur 7tzy qui représente sept fois la contrainte de cisaillement dynamique Tzy, dépasse les courbes de distribution de duretés, tandis que dans le cas de (dt/dw)=0,046 pour lequel on a observé une grande augmentation de la durée de vie, à n'importe quelle profondeur, la valeur 7tzy était inférieure aux valeurs fournies par les courbes de distribution de duretés. De plus, une tendance analogue apparaissait lorsque les tests étaient effectués en changeant la profondeur de traitement thermique (dt/dw) pour passer à d'autres valeurs que les valeurs ci-dessus. Cela prouve qu'il est possible d'augmenter dans une très large mesure la durée de vie de contact de roulement d'une surface de chemin de roulement, en utilisant une disposition dans laquelle, à n'importe quelle profondeur à partir de la surface du chemin de roulement, la valeur qui représente sept fois la contrainte de cisaillement dynamique tzy produite à une certaine profondeur par le mouvement de roulement de l'élément de roulement, ne dépasse pas la dureté à cette profondeur. A ce sujet, même si l'on change les conditions de traitement thermique représentées typiquement par le temps de chauffage, comme représenté à la figure 4, il n'y a pas de grand changement dans la forme des courbes de distribution de duretés, ces dernières étant simplement déplacées verticalement vers le haut et vers le bas (la dureté de surface Hv de ce type de surface de chemin de roulement, qui est d'environ 700, ne variant pas beaucoup), de sorte que si l'on spécifie une profondeur à laquelle une dureté sur une certaine base apparaît, il est possible d'en déduire la courbe de distribution de duretés. En ce sens, l'exigence indiquée ci-dessus qu'une couche durcie présentant une dureté Vickers Hv=520 soit présente à une profondeur qui n'est pas inférieure à 4 W du diamètre dw de l'élément de roulement", équivaut en d'autres termes à spécifier une courbe de distribution de duretés. Par exemple, à la figure 4, il n'y a que la courbe de distribution de duretés pour (dt/dw) = 0,046, qui satisfait l'exigence ci-dessus. Bien évidemment, il est possible d'adopter comme référence une valeur de dureté autre que Hv=520, et la valeur prescrite (4 W indiquée ci-dessus) change également en fonction de cela. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera décrite ci-après à l'aide de modes de réalisation représentés sur les dessins annexés dans lesquels - la figure 1A est une vue en coupe représentant la zone pé riphérique d'un palier de butée à billes dans un cômpres- seur à volutes - la figure 1B est une vue en coupe agrandie représentant le voisinage du palier de butée à billes - la figure 2 est une vue destinée à décrire la contrainte de cisaillement dynamique Tzy résultant du mouvement de roule ment - la figure 3 est un graphique (résultat de test) représen tant la relation entre la profondeur de traitement thermi que et la durée de vie liée au roulement - la figure 4 est un graphique représentant la relation entre la profondeur, la dureté Vickers et la contrainte de ci saillement dynamique Xzy ; - la figure 5 est un graphique représentant une forme géné rale de compresseur à volutes ; et - la figure 6 est une vue en plan représentant un anneau de palier diun palier de butée conventionnel. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERENTIELS On décrira maintenant une forme de réalisation de l'invention appliquée à un palier de butée à billes utilisé dans un compresseur à volutes. Les figures 1A et 1B représentent la zone périphérique d'un palier de butée à billes utilisé dans un compresseur à volutes tel que celui représenté à la figure 5. Une paire d'anneaux de palier 4a, 4b du palier de butée à billes 4 sont fixés à des montages axialement opposées la, 3a d'un élément de volute tournant 1 et d'un châssis fixe 3 (le châssis fixe 3 étant fixé à un élément de volute fixe 2), et des billes 4c sont disposées entre un certain nombre de surfaces de chemins de roulement en creux 4al, 4bl, formées sur la paire d'anneaux de palier 4a, 4b. L'élément de volute tournant 1 effectue un mouvement de rotation excentrique (rotation de volute) avec un rayon de révolution qui est égal à une excentricité e, par rapport à l'élément de volute fixe 2, de sorte qu'une chambre de compression P définie entre leurs cloisons de séparation en spirale lb, 2b, change de volume en comprimant ainsi le fluide à l'intérieur de celle-ci. Pendant cette action de compression, le palier de butée à billes 4 sert à empêcher l'élément de volute tournant 1 de tourner autour de son axe propre, et sert également à supporter la charge de poussée. Dans cette forme de réalisation, les montures la, 3a sont chacune en forme de marche, de façon que la périphérie intérieure 4a2 de l'anneau de palier 4a associé au côté tournant, vienne s'adapter dans l'épaulement lal de la monture la, tandis que la périphérie extérieure 4b2 de l'anneau de palier 4b associé au côté fixe, vient s'adapter dans l'épaulement 3al de la monture 3a. L'anneau de palier 4a (4b) présente la même forme que celle de l'anneau de palier conventionnel 14a (14b), et se fabrique par exemple à partir d'un flan constitué d'une feuille d'acier, par une série d'étapes de traitement : travail à la presse " traitement thermique (cémentation par exemple) finition. Les surfaces de chemins de roulement 4al (4bl) sont annulaires et sont disposées sur la même circonférence d'une surface d'extrémité de l'anneau de palier 4a (4b). Les billes 4c disposées sur les surfaces de chemins de roulement 4al (4bl) roulent sur les cercles primitif (PCD) des surfaces de chemins de roulement 4al (4bl) lorsque la rotation excentrique de l'élément de volute tournant 1 se produit. Le diamètre d du cercle primitif (PCD) de chaque surface de chemin de roulement 4al (4bl) est égal à l'excentricité e. Ce qui différencie le palier de butée à billes 4 de cette forme de réalisation, par rapport au type conventionnel représenté aux figures 5 et 6, est que la dureté de traitement thermique et la profondeur de traitement thermique de l'anneau de palier 4a (4b) sont spécifiées de façon que, à n'importe quelle profondeur à partir de la surface de chemin de roulement 4al (4bl), la valeur qui représente sept fois la contrainte de cisaillement dynamique lzy produite à une certaine profondeur mesurée à partir de la surface de chemin de roulement 4al (4bl), par le mouvement de roulement des billes 4c, ne dépasse pas la dureté à cette profondeur. Plus particulièrement, en adoptant une dureté Vickers Hv=520 comme dureté de référence, le traitement thermique (par exemple une carburation) a été effectué de façon qu'une couche durcie de dureté Hv=520, soit présente à une profondeur supérieure à 4 W du diamètre b des billes 4c. De cette manière, on. peut augmenter considérablement la durée de vie du contact de roulement des surfaces de chemins de roulement 4al (4bl). De plus, l'invention n'est pas limitée à un palier de butée à billes pour compresseurs à volutes, mais peut également s'appliquer à des paliers de butée à billes supportant en général des charges de poussée lorsqu'ils sont inter posés entre deux éléments qui effectuent un mouvement de rotation excentrique l'un par rapport à l'autre. Comme cela a été décrit jusqu'ici, l'invention permet d'améliorer considérablement la durée de vie du contact de roulement des surfaces de chemins de roulement d'anneaux de palier, ce qui permet d'obtenir un palier de butée à billes de durabilité supérieure. REVENDICATIONS 10) Palier de butée à billes (4), comprenant une paire d'anneaux de palier (4a, 4b) qui effectuent un mouvement de rotation excentrique l'un par rapport à l'autre, et des éléments de roulement (4c) interposés entre les surfaces de chemins de roulement (4al, 4bl) formées sur les anneaux de palier (4a, 4b), caractérisé en ce que concernant l'un au moins de la paire d'anneaux de palier (4a, 4b), à n'importe quelle profondeur à partir de sa surface de chemin de roulement (4al, 4bl), la valeur qui représente sept fois la contrainte de cisaillement dynamique xzy produite à une certaine profondeur à partir de la surface de chemin de roulement (4al, 4bl) par le mouvement de roulement des éléments de roulement (4c), ne dépasse pas sa dureté à cette profondeur. 2") Palier de butée à billes (4) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' une couche durcie présentant une dureté Vickers Hv=520, est présente à une profondeur qui n'est pas inférieure à 4 k du diamètre (d) de l'élément de roulement (4c) mesuré à partir de la surface de chemin de roulement (4al, 4bl).