Brevet FR2775323A1 — publié le 19990827

Cage pour roulement rigide à billes et roulement associé. La présente invention concerne le domaine des cages en matière synthétique destinées aux roulements rigides à billes. Les cages utilisées dans les roulements ont pour but de maintenir en permanence un espacement circonférentiel régulier entre les éléments roulants. Les cages en matière synthétique sont réalisées par moulage par injection d'une matière plastique, par exemple du polyamide 6.6, chargée ou non d'un matériau de renforcement tel que des fibres de verre. Ces cages sont constituées d'une bague annulaire pourvue d'alvéoles sphériques débouchant axialement sur une face de l'anneau et radialement des deux côtés de l'anneau, chaque alvéole se prolongeant axialement par des languettes dirigées dans une direction axialement opposée au fond de l'alvéole. Un tel type de cage est monté par encliquetage axial sur la rangée de billes du roulement, lesdites billes venant s'ajuster avec un très faible jeu dans les alvéoles. La forme sphérique enveloppante des alvéoles assure la retenue axiale de la cage sur la rangée de billes et permet le centrage de la cage par rapport aux bagues du roulement. Ces cages sont de fabrication économique, de masse réduite et ne souffrent pas de problème de corrosion. Cependant, dans certaines applications impliquant des conditions de charge et de vitesse sévères, on a constaté que ces cages peuvent présenter des défaillances prématurées, notamment par rupture de la cage au niveau du talon. De façon surprenante, on a constaté que ces ruptures étaient dues à des usures particulièrement importantes dans la zone des bords intérieurs d'alvéoles situés au niveau des languettes se trouvant dans le sens de rotation du roulement, sous l'effet de la force centrifuge et des charges appliquées. On entend par bords intérieurs d'alvéoles, les bords d'alvéoles situés vers l'axe de rotation du roulement. On entend par partie inférieure de l'alvéole, la partie de l'alvéole la plus proche de l'axe de rotation du roulement. On s'est donc aperçu que sous certaines conditions de charges et de vitesse, la zone de contact critique entre billes et alvéoles était localisée dans la partie inférieure de l'alvéole, au niveau des languettes dans le sens de rotation du roulement. Il se produit dans ces zones critiques des contacts dits "de bord" entre bille et alvéole, ces contacts résultant des conditions de charges et de vitesse de rotation du roulement. Les contacts de bord se produisent au niveau d'une arête vive et s'effectuent donc dans de très mauvaises conditions à la fois sur le plan des pressions de contact et sur celui des conditions locales de lubrification. Au contact de la bille, le bord de l'alvéole qui est relativement flexible, aura tendance à se déformer. Cette déformation combinée avec les pressions de contact élevées, la friction générée par la rotation de la bille, et une mauvaise lubrification de la zone de contact, conduit à une usure prématurée de l'alvéole. La présente invention aura pour objet de remédier aux inconvénients des cages conventionnelles et de proposer une cage dont la forme d'alvéole permette d'améliorer les conditions de contact billealvéole en éloignant la zone de contact de l'arête vive. Le dispositif de cage, selon l'invention, est du type destiné au maintien de billes dans un roulement comprenant au moins une rangée de billes disposées entre deux chemins de roulement. La cage comprend une partie annulaire adjacente axialement aux billes et une pluralité d'alvéoles dans chacune desquelles est disposée une bille. Une alvéole est formée par une surface concave, les alvéoles débouchant axialement sur une face de l'anneau et radialement des deux côtés de l'anneau, lesdites alvéoles étant séparées par les parties d'espacement se prolongeant à l'opposé de l'anneau par des languettes. La surface concave comprend une portion tronconique se raccordant à une portion sphérique. Dans un mode de réalisation de l'invention, la portion tronconique est disposée le long du bord intérieur de l'alvéole et vient se raccorder sur la portion sphérique qui occupe le reste de la surface concave, la portion conique allant en se refermant en direction de l'axe de révolution de la cage. La portion sphérique est disposée sur le bord extérieur de la cage. On éloigne ainsi la zone de contact bille-alvéole des bords intérieurs d'alvéole, évitant ainsi les contacts de bord sur des angles vifs entre billes et alvéoles, ce qui améliore considérablement les caractéristiques des pressions de contact à ce niveau, avec pour conséquence une usure de la cage notablement diminuée. De plus, la lubrification s'en trouve améliorée en raison de la forme conique à la base de l'alvéole qui offre au lubrifiant plus d'espace. Il se forme ainsi à la base de l'alvéole un réservoir de lubrifiant tout à fait bénéfique au bon fonctionnement du roulement. Par rapport à une cage conventionnelle, la cage conforme à l'invention conserve sa capacité de retenue des billes dans les alvéoles de cage, aussi bien dans le sens axial que dans le sens radial. Dans un mode de réalisation de l'invention, les portions tronconique et sphérique se raccordent tangentiellement. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, les portions tronconique et sphérique se raccordent de façon sécante, de préférence en formant un angle rentrant ou un creux. Avantageusement, l'angle a de la portion tronconique est compris entre 0 et 7t-2 arcsin (2*X/D,), D étant le diamètre de l'alvéole et X étant égal à avec Y = (Dj2 + Dp2 - Da2)/(4*Dp), Dj étant le diamètre de l'alésage de la cage, Dp étant le diamètre du cercle passant par les centres des portions sphériques des alvéoles. La distance d entre la base du tronc de cône et le centre de la portion sphérique de l'alvéole est comprise entre zéro et Dp/2Y ,Dp étant le diamètre du cercle passant par les centres des portions sphériques des alvéoles, Y étant égal à (Dj2 + du2 Da2)/(4*Dp). Le diamètre B de la base du tronc de cône est compris entre 2*X et Da, Da étant le diamètre de l'alvéole. La présente invention a également pour objet un roulement à billes comprenant une cage tel que décrit ci-dessus. La cage offrira ainsi une résistance à l'usure en raison de l'amélioration des contacts dits "de bord" entre les billes et la cage et à la meilleure lubrification, réduisant de ce fait les risques de défaillance prématurée des roulements par rupture de cage. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un roulement à billes conventionnel; la figure 2 est une vue de face partielle d'une cage conventionnelle; la figure 3 est une vue en coupe selon III-III de la figure 1; la figure 4 est une vue schématique de la surface de contact entre billes à alvéoles dans une cage conventionnelle; la figure 5 est une vue schématique montrant la répartition des pressions de contact suivant deux directions perpendiculaires dans le cas d'une cage conventionnelle; la figure 6 est une vue similaire à la figure 5 pour la cage conforme à l'invention; la figure 7 est une vue partielle en coupe transversale d'une cage conforme à l'invention; et la figure 8 est une vue en perspective d'une cage conforme à l'invention. Comme on peut le voir sur les figures 1 à 3, le roulement 1 de type conventionnel comprend une bague extérieure 2 pourvue sur son alésage d'un chemin de roulement torique 3, une bague intérieure 4 pourvue sur sa surface extérieure d'un chemin de roulement torique 5, et une rangée d'éléments roulants 6, par exemple des billes, disposés entre le chemin de roulement 3 de la bague extérieure 2 et le chemin de roulement 5 de la bague intérieure 4. La rangée d'éléments roulants 6 est maintenue par une cage 7 réalisée en matériau synthétique et comprenant une partie annulaire 8 disposée entre les bagues extérieures 2 et intérieures 4 sur un côté de la rangée d'éléments roulants 6, et des parties d'espacement 9 disposées entre lesdites bagues extérieure 2 et intérieure 4 et entre les éléments roulants 6. L'anneau 8 et les parties d'espacement 9 définissent une pluralité d'alvéoles sphériques 10 circonférentiellement régulièrement réparties et dans chacune desquelles est disposé un élément roulant 6. Les parties d'espacement 9 se terminent axialement à l'opposé de l'anneau 8 par des languettes 11 assurant le maintien de la cage 7 par rapport aux éléments roulants 6. Sur la figure 4, est représentée la surface de contact théorique entre une alvéole et un élément roulant. Pour l'étude du comportement de la cage, on a divisé cette surface en plusieurs secteurs. On a constaté que le secteur représenté en grisé voyait les pressions de contact les plus élevées entre la cage et l'élément roulant. Ce secteur représenté en grisé correspond au bord intérieur de l'alvéole à proximité d'une languette de la cage située dans le sens de la rotation. Sur la figure 5, sont représentées les pressions de contact suivant deux directions perpendiculaires entre l'élément roulant et la cage. On voit que ces pressions sont relativement élevées et se produisent dans la zone de l'arête du bord intérieur de l'alvéole. Au contraire, comme on peut le voir sur la figure 6, les pressions de contact s'exerçant entre un élément roulant et une cage conforme à l'invention sont beaucoup plus réduites, particulièrement dans le sens radial et se produisent à une certaine distance de l'arête du bord intérieur de l'alvéole. Comme on peut le voir sur les figures 6, 7 et 8, les références des éléments semblables à ceux des figures précédentes ont été augmentées du nombre 10. La cage 17 comprend des alvéoles concaves 22 pourvues d'une portion tronconique se raccordant sur une portion sphérique 23. La portion tronconique 24 est disposée sur le bord intérieur de l'alvéole de cage et va en se refermant en direction de l'axe de révolution de la cage, la portion sphérique 23 occupant le reste de l'alvéole. Ces portions sphérique 23 et tronconique 24 peuvent, soit se raccorder tangentiellement, soit se raccorder de façon sécante en formant un angle de quelques degrés. On voit bien, notamment sur la figure 6, que l'amplitude des pressions de contact est notablement réduite, particulièrement en ce qui concerne les composantes radiales qui ont une influence importante dans les phénomènes d'usure. On remarque en outre que le contact bille-cage se produit en dehors de l'arête vive délimitant le bord intérieur de l'alvéole. De plus, il subsiste au niveau de ce bord intérieur, un léger espace entre l'élément roulant 16 et la portion tronconique 24 de l'alvéole 22 qui forme un réservoir de lubrifiant favorable au bon fonctionnement du roulement. Pour définir les dimensions possibles respectives de la portion sphérique 23 et de la portion tronconique 24, on a choisi les paramètres suivants Da est le diamètre d'une alvéole; Dj est le diamètre de l'alésage de la cage; Dp est le diamètre du cercle passant par le centre des portions sphériques des alvéoles. Si on coupe la cage par un plan passant par les centres des surfaces sphériques d'alvéoles, on peut définir pour chaque alvéole un système d'axe orthonormé YOX contenu dans le plan de coupe, dans lequel O est situé sur l'axe de rotation de la cage, l'axe OY passant par le centre de l'alvéole et l'axe OX étant perpendiculaire à l'axe OY en O. Si on désigne par P le point théorique d'intersection entre la sphère d'alvéole et l'alésage de la cage dans le plan de coupe, on désignera par X l'abscisse du point P et par Y l'ordonnée du point P par rapport au système d'axe YOX. B est le diamètre de la base du tronc de cône, c'est-à-dire le diamètre au raccordement entre la portion tronconique et la portion sphérique; d est la distance entre la base du tronc de cône et le centre de la portion sphérique de l'alvéole; a est l'angle du tronc de cône. Pour obtenir une cage dont le fonctionnement est satisfaisant, on choisira de préférence les plages de variation suivantes 0 5 a 0 S d S Dpi2 - Y 2 * X et Y = (Di2 + Dp2 - Da2 ) / (4*Dp). Grâce à l'invention, on dispose d'une cage dans laquelle la zone de contact entre billes et alvéoles est éloignée des bords intérieurs d'alvéole, ce qui évite les contacts de bord sur des angles vifs, en améliorant ainsi considérablement les caractéristiques des pressions de contact à ce niveau. L'usure de la cage se trouve notablement diminuée. Cet avantage est renforcé par l'amélioration de la lubrification due à la forme conique de la base de l'alvéole qui offre plus d'espace au lubrifiant. REVENDICATIONS 1. Dispositif de cage (17) du type destinée au maintien de billes (16) dans un roulement comprenant au moins une rangée de billes disposées entre deux chemins de roulement, la dite cage comprenant une partie annulaire (18) adjacente axialement aux billes et une pluralité d'alvéoles (22) dans chacune desquelles est disposée une bille , une alvéole étant formée par une surface concave, les alvéoles débouchant axialement sur une face de l'anneau et radialement des deux côtés de l'anneau, lesdites alvéoles étant séparées par des parties d'espacement (19) se prolongeant à l'opposé de l'anneau par des languettes (21), caractérisé par le fait que la surface concave comprend une portion tronconique (24) se raccordant à une portion sphérique (23). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la portion tronconique est disposée sur le bord intérieur de l'alvéole de la cage et va en se refermant en direction de l'axe de révolution de la cage, la portion sphérique occupant le reste de l'alvéole. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les portions tronconique et sphérique se raccordent tangentiellement. 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les portions tronconique et sphérique se raccordent de façon sécante. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'angle a de la portion tronconique est compris entre zéro et z-2 arcsin (2*X/Da), X étant égal à et Y étant égal à (Di+Dp2-Da2)/(4*Dp), Da étant le diamètre de l'alvéole, Di étant le diamètre de l'alésage de la cage, Dp étant le diamètre du cercle passant par les centres des portions sphériques des alvéoles. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la distance d entre la base du tronc de cône et le centre de la portion sphérique de l'alvéole est comprise entre zéro et Dp/2-Y, Dp étant le diamètre du cercle passant par les centres des portions sphériques des alvéoles, Y étant égal à (Di2 + Dp2 -Da2)/(4*Dp), Da étant le diamètre de l'alvéole, Di étant le diamètre de l'alésage de la cage, Dp étant le diamètre du cercle passant par les centres des portions sphériques des alvéoles. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le diamètre B de la base du tronc de cône est compris entre 2*X et Da. 8. Roulement à billes comprenant une cage selon l'une quelconque des revendications précédentes.