Brevet FR2798708A1 — publié le 20010323

ROULEMENT A BILLES HYBRIDE A CONTACT OBLIQUE, ET BUTEE AXIALE LE COMPORTANT L'invention concerne un roulement à billes, du type à contact oblique, comprenant une rangée de billes disposées entre et en contact roulant avec une gorge roulement intérieure d'une bague extérieure en acier et une gorge de roulement extérieure d'une bague intérieure en acier, la gorge exté rieure ayant concavité tournée radialement vers l'extérieur du roulement et, de préférence également, axialement vers l'un des deux côtés du roulement et la gorge intérieure ayant sa concavité tournée radialement vers l'axe du roule ment et axialement vers l'autre côté du roulement, de sorte que les deux - ges sont sensiblement en regard l'une de l'autre, les billes étant espacées unes des autres en direction circonférentielle autour de l'axe du roulement une cage à billes disposée entre les bagues. L'invention concerne plus particulièrement un roulement à billes du type précité, destiné à être monté empilé axialement en batterie, avec d'autres - lements du même type pour constituer une butée axiale à billes à partir de roulements à billes de grande précision, par exemple de niveau ABEC7, en particulier de qualité aéronautique. Pour l'articulation en pas ou en incidence de pales de rotors arrière ou principaux d'hélicoptères, par rapport au moyeu de ces rotors, on a déjà utilisé des butées axiales à billes, permettant simultanément de retenir chaque pale contre la force centrifuge qui la sollicite lorsque le rotor est en rotation, et de commander sa rotation discontinue et sur une plage angulaire relativement fai ble, par rapport au moyeu, pour assurer le changement de pas de la pale. Une telle butée axiale est constituée d'une batterie de roulements à billes à contact oblique empilés axialement de sorte que leur contact oblique soit orienté dans une même direction correspondant à un sens axial de charge de la butée à billes. Dans les roulements à billes à contact oblique utilisés pour constituer de telles butées axiales à billes, les billes et les bagues sont en acier. Ceci a pour inconvénient qu'un phénomène de faux-brinelling au niveau des contacts entre les billes et les bagues en acier provoque des usures localisées correspondant à l'amplitude d'oscillation des pales en pas, sous une fréquence particulière, correspondant à la commande de pas, et qui peut être par exemple l'ordre de 24 Hz. Ces usures sont jugées rédhibitoires après des temps fonction nement l'ordre de 250 à 350 heures, alors que le potentiel demandé peut être supérieur à 1000 heures. II en résulte la nécessité de démonter rotors et de déposer leurs pales pour remplacer la batterie de roulements billes constituant la butée axiale à billes. Ces opérations de démontage et remontage des rotors pour remplacer les butées à billes sont extrêmement pénalisantes aux plans financier et logistique. De plus, pour éviter un phénomène de fretting-corrosion sur le diamètre extérieur la bague extérieure et sur l'alésage de la bague intérieure il est connu recouvrir les faces correspondantes des bagues intérieure et exté rieure dépôt de cuivre. problème à la base de l'invention est de proposer un roulement à billes type précité, permettant d'éliminer les effets de faux-brinelling sur les bagues roulements en plus de l'élimination des effets de fretting-corrosion sur le diamètre extérieur des bagues extérieures et sur Falésage des bagues intérieures des roulements empilés axialement pour constituer une butée axiale à billes. A effet, le roulement à billes à contact oblique selon l'invention, du type présenté ci-dessus, se caractérise en ce que les billes sont en céramique, au moins surface, et les bagues en acier sont revêtues sur toute leur sur face d'une couche de sulfure de molybdène (MoSx) ou de nitrure titane et d'aluminium (TiAIN). Avantageusement, cette couche de MoSx ou de MAIN est couche déposée par pulvérisation cathodique, qui permet un excellent accrochage de la couche sur la matrice en acier de chaque bague. Avantageusement de plus, les billes sont frittées en céramique, ce qui procure en outre un gain de masse de l'ordre de 10 %, et avantageusement la céramique est au moins en partie constituée de Si3N4 ou de TiC. Un tel roulement bénéficie ainsi de l'excellent comportement tribologi- que, sous forte charge axiale et niveau vibratoire associé, du de celui auxquelles sont soumises les butées axiales à billes des rotors helicoptères, du couple de matériaux en contact, c'est-à-dire de la céramique billes et de la couche de MoSx ou de TiAIN des bagues en acier. Avantageusement de plus, l'acier de la bague extérieure comme l'acier de la bague interieure sont choisis parmi les aciers à roulement traditionnels, de préférence type 100C6 ou M50. La cage a billes du roulement peut avoir une structure connue et être monobloc et moulée en une matière synthétique, et se centrer sur les billes. Avantageusement, la matière synthétique de la cage, de preférence du polyamide 6.6, peut être chargée d'un additif ayant des propriétés lubrifica tion, de préférence du sulfure de molybdène (MoS2), de sorte la cage constitue un réservoir de lubrifiant sec, qui est libéré vers les billes les gor ges de roulements, par l'usure progressive de la cage. L'invention a également pour objet une butée axiale à billes, qui se ca- ractérise en ce qu'elle comprend une batterie de plusieurs roulements à billes à contact oblique tels que définis ci-dessus, et empilés axialement en contact les uns avec les autres, d'une part, par leurs bagues intérieures, et, d'autre part, par leurs bagues extérieures, avec leur contact oblique incliné dans une même direction correspondant à un sens axial de charge de la butée à billes. En outre, pour permettre une précharge dans le sens de l'effort axial minimum que doit subir la butée à billes, cette demière comprend avan tageusement de plus un roulement à billes à contact oblique supplementaire, monté à une extrémité axiale de l'empilement des autres roulements à billes à contact oblique, et constituant un roulement de précharge dans le axial opposé au sens de charge des autres roulements à billes dudit empilement axial. L'invention concerne enfin l'application d'une butée axiale à billes telle que définie ci-dessus à l'articulation en pas d'une pale d'un rotor d'hélicoptère par rapport au moyeu dudit rotor. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description donnée ci-dessous, à titre non limitatif, d'un exemple de réalisation décrit en reférence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une butée axiale à billes comprenant sept roulements à billes à contact oblique, selon l'invention, - la figure 2 est une coupe transversale à plus grande échelle de l'un des six roulements de charge identiques de la butée axiale de la figure 1, - la figure 3 est une coupe transversale à plus grande échelle du sep tième roulement à billes de la butée axiale de la figure 1, ce septième roule ment à billes étant un roulement de précharge, - la figure 4 représente à plus grande échelle un détail de la figure 1 montrant l'appui axial du roulement de précharge de la figure 3 contre l'empilement axial de la batterie des six roulements de charge selon la figure 2, - la figure 5 est une coupe axiale de la cage à billes de l'un des six rou lements charge de la butée axiale de la figure 1, - figure 6 représente à plus grande échelle le détail de l'extrémité infé rieure la coupe de la figure 5, et - la figure 7 est une coupe partielle selon VII VII de la figure 6. La figure 1 représente une butée axiale à billes constituée l'empilement axial de sept roulements à billes à contact oblique, dont une - terie de six roulements de charge 1 identiques les uns aux autres et empilés axialement, et un septième roulement à billes à contact oblique 2, qui est un roulement précharge, à l'extrémité axiale de droite sur la figure 1 de la bat terie des ' roulements de charge 1. A noter que le nombre de roulements empilés de la butée à billes est directement lié aux charges à supporter par cette butée à billes et peut donc être supérieur ou inférieur à sept. Comme représenté sur les figures 1, 2 et 5 à 7, chacun des roulements de charge 1 est un roulement à billes à contact oblique, comprenant une ran gée de billes 3 qui sont disposées entre deux pistes de roulements en regard l'une de l'autre, et dont l'une est une gorge de roulement intérieure 4 d'une ba gue extérieure 5, et l'autre une gorge de roulement extérieure 6 d'une bague intérieure 7. gorges de roulement 4 et 6 ont une section par un plan axial passant par X-X du roulement qui est en forme d'arc-de-cercle dont la concavité, pour gorge intérieure 4, est tournée radialement vers l'axe X-X du roulement 1 et axialement ou latéralement du côté opposé au roulement de précharge 2, tandis que la concavité de la gorge extérieure 6 est tournée ra- dialement vers l'extérieur du roulement 1 et axialement ou latéralement du côté du roulement de précharge 2. II en résulte, pour chacun des six roulements de charge 1, un contact oblique des billes 3 entre les gorges 4 et contre les quelles les billes 3 sont en contact roulant, qui s'effectue selon génératri ces d'un ' centré sur l'axe X-X des roulements 1 et 2, et donc la butée à billes, ' dont la trace dans le plan de coupe de la figure 1 représentée par les axes parallèles Y-Y (en haut de la figure 1) et Z-Z (en de la figure 1). En raison de cette géométrie des gorges de roulement 4 et 6, la gorge extérieure 6 est ménagée entre deux parties périphériques latérales de la ba gue intérieure 7 dont rune 8, à gauche sur les figures 1 et 2, a son diamètre extérieur supérieur à celui de Fautre partie périphérique latérale 9, alors que les deux parties périphériques latérales 8 et 9 de la bague intérieure 7 ont le même alésage ou diamètre intérieur. De manière correspondante, la gorge de roule ment intérieure 4 est formée dans la bague extérieure 5 entre deux parties pé riphériques latérales de cette bague 5 dont l'une 10, sur la gauche des figures 1 et 2, et donc du même côté que la partie périphérique latérale 8 de la bague intérieure 7, présente un alésage ou diamètre intérieur supérieur à celui de l'autre partie périphérique latérale 11 de cette même bague extérieure 5, dont les deux parties périphériques latérales 10 et 11 ont le même diamètre exté rieur. De plus, la bague extérieure 5 est décalée axialement rapport à la bague intérieure 7, du côté du roulement de précharge 2, c'est-a-dire dans le sens axial (selon l'axe X-X de la butée à billes) correspondant au sens d'application de l'effort axial maximum que la butée à billes est destinée à sup porter. Enfin, partie périphérique latérale 11 de la bague extérieure 5 pré sente, dans partie radiale interne, un chanfrein tronconique 12, divergent du côté du roulement de précharge 2, pour permettre, dans l'empilement axial de la batterie de roulements de charge 1, le contact axial de la face laterale de cette partie périphérique latérale 11 contre la face latérale en regard l'autre partie périphérique latérale 10 de la bague extérieure 5 du roulement charge 1 immédiatement voisin dans l'empilement axial, sans interférer avec cage à billes 13 qui retient les billes 3 espacées les unes des autres en direction cir- conférentielle autour de l'axe X-X de chaque roulement 1, cette cage 3 étant disposée entre les bagues 5 et 7 du roulement 1. Les figures 5 à 7 montrent que la cage 13 est monobloc et comporte une partie périphérique latérale 14, de section transversale sensiblement rectan gulaire avec un sommet radial externe et latéral externe 15 qui est chanfreiné, la partie periphérique latérale 14 supportant, en saillie sensiblement radiale ment vers intérieur (vers l'axe X-X) et axialement du côté opposé au sommet chanfreiné 5, des plots 16 en forme sensiblement de disques circulaires à fa ces latérales opposées concaves en calottes sphériques, qui viennent chacun se loger entre les gorges de roulement 4 et 6 et entre deux billes 3 voisines pour assurer un centrage de la cage 13 sur les billes 3, tandis que la partie pé riphérique latérale 14 de la cage 13 se loge entre les parties périphériques laté rales 8 et 10 respectivement de la bague intérieure 7 et de la bague extérieure 5. Le roulement de précharge 2 est également un roulement à billes à contact oblique, dont les billes 3 sont identiques à celles des roulements de charge 1, et sont montées en contact roulant entre deux pistes de roulement sensiblement en regard l'une de l'autre, dont l'une est une gorge de roulement intérieure 17 d'une bague extérieure 18, et l'autre une gorge de roulement ex térieure 19 d'une bague intérieure 20. Comme représenté sur les figures 1 et 3, la concavite de la gorge de roulement intérieure 17 est tournée radialement vers l'axe X et axialement ou latéralement vers l'extérieur de la butee à bil les, du côte opposé aux roulements de charge 1, et la gorge de roulement inté rieure 17 ainsi ménagée entre deux parties périphériques latérales et 22 de la bague extérieure 18 dont l'une 21 (sur la gauche des figures 1 3) est de plus petit alésage ou diamètre intérieur que l'autre 22, les deux parties péri phériques latérales 21 et 22 ayant le même diamètre extérieur, tandis que la concavité de la gorge de roulement extérieure 19 de la bague intérieure 20 est tournée radialement vers l'extérieur, entre deux parties périphériques latérales 23 et 24 de la bague intérieure 20 qui ont les mêmes alésage et diamètre exte- rieur. II en résulte que le contact oblique des billes 3 du roulement de charge 2 avec les bagues 18 et 20 est moins incliné sur la direction radiale contacts obliques des roulements de charge 1, l'inclinaison du contact obli- du roulement de précharge 2 étant en outre dans le sens opposé à celui inclinaisons des contacts obliques des roulements de charge 1 (voir figure sur laquelle les axes A-A en haut et B-B en bas représentent les traces dans plan de coupe des génératrices du cône des contacts obliques des billes entre les bagues 18 et 20 du roulement de précharge 2). Le roulement de précharge 2, dont les billes 3 sont également espacées unes des autres en direction circonférentielle autour de l'axe X-X par à billes 25 de structure analogue à celle de la cage 13, mais sensiblement symétrique par rapport à un plan radial, est ainsi adapté à reprendre Feffort axial minimum s'exerçant sur la butée à billes, dans le sens axial opposé au sens de charge de l'effort maximum, et sert ainsi à précharger la butée à billes lors de son montage en configuration cf utilisation. Les figures 1 et 4 montrent que, dans l'empilement axial des roulements de charge 1 et du roulement de précharge 2, les roulements de charge 1 sont également en contact axial les uns avec les autres par leur bague intérieure laquelle le roulement de charge 1 directement adjacent au roulement precharge 2 est également en appui axial contre la bague intérieure 20 de dernier, dont la bague extérieure 18 est axialement décalée par rapport à sa bague intérieure 20 dans le même sens que sur les roulements de charge Ceci permet à cette bague extérieure 18 d'être axialement en contact par partie périphérique latérale 21 avec la partie périphérique latérale 11 chanfrei- née en 12 de la bague extérieure 5 du roulement de charge 1 voisin. Dans ces roulements 1 et 2, toutes les billes 3 sont frittées en cérami que, par exemple en Si3N4 ou TiC. Les bagues 5 et 7 des roulements 1 et les bagues 18 et 20 du roulement de précharge 2 sont en un acier à roulement traditionnel, par exemple de type 1 00C6 ou M50, et sont revêtues sur toute leur surface d'une couche de sulfure de molybdène (MoSx), avec de préférence x égal à ou voisin de 1,7, ou de nitrure de titane et d'aluminium (MAIN), a été déposée par pulvérisation cathodique, c'est-à-dire par un procédé dit P.V.D. (Physical Vapour Déposition), tel que le procédé connu sous le nom de marque déposée TINALOX et mis en oeuvre par la société allemande CemeCon GmbH, Talbotstrasse 21-D-52068 AACHEN - Allemagne. pulvé risation cathodique peut également être assurée par la mise en oeuvre pro cède P.V.D. développé par le C.E.N.G. (Centre d'Essais Nucléaires Greno ble) C.E.A. (Commissariat à I 'Energie Atomique) en France, procédé connu sous dénomination MoSx permettant d'obtenir une pulvérisation cathodi que sulfure de molybdène avec une structure colonnaire de dureté élevée. Sur des roulements hybrides ainsi obtenus, il est important de noter que le revêtement de MoSx ou de MAIN n'est pas seulement présent sur les gorges de roulement 4, 6, 17 et 19 des bagues 5, 7, 18 et 20 des roulements 1 et 2, mais également sur leurs autres surfaces, de l'alésage comme du diamètre extérieur et des faces latérales par lesquelles ces bagues sont en appui axial les unes contre les autres. Le bon comportement tribologique de la céramique des billes 3 en contact avec la couche de MoSx ou de MAIN des bagues des roulements per met d'éliminer les effets de faux-bdnelling sur ces bagues 5, 7, 18 et 20. En outre, un cuivrage appliqué sur le diamètre extérieur des bagues extérieures 5 et 18 et sur l'alésage ou diamètre intérieur des bagues intérieures 7 et 20 des roulements de charge 1 et du roulement de précharge 2 permet d'éliminer les effets de fretting-corrosion, par exemple entre un manchon de pale rotor d'hélicoptère, dans lequel les bagues extérieures 5 et 18 de la butée axiale à billes sont logées et dont elles sont rendues solidaires en rotation, et arbre ou bras du moyeu du rotor, autour duquel les bagues intérieures 7 et 20 des roulements de charge 1 et du roulement de précharge 2 sont emmanchées et dont elles sont rendues solidaires en rotation, pour permettre la commande de pas de la pale par rotation autour de l'arbre ou bras du moyeu. Les cages 13 et 25, monoblocs et qui se centrent chacune sur les billes 3 correspondantes, sont chacune moulée en une matière synthétique éven- tuellement chargée d'un additif choisi pour pouvoir agir comme lubrifiant sec entre les billes et les bagues lors de l'usure des cages 13 et 25. Dans exemple, chaque cage 13 ou 25 est avantageusement en polyamide 6 chargé en MoS2, de sorte que la cage 13 ou 25 constitue un ré servoir de sulfure de molybdène libéré comme lubrifiant sec entre billes 3 et les gorges de roulement au fur et à mesure de l'usure des cages 1 et 25. Dans une butée axiale à billes telle que décrite ci-dessus représentée en coupe sur figure 1, l'ensemble des bagues extérieures 5 18, des ba gues intérieures 7 et 20, des cages 13 et 25 et des billes 3 des roulements de charge 1 et du roulement de précharge 2 est un ensemble appairé. Dans application comme butée axiale à billes pour la retenue dune pale de rotor par son pied contre les forces centrifuges qui sollicitent la pale en rotation tout en permettant l'articulation en pas de la pale par rotation disconti nue sur une plage angulaire limitée par rapport à un bras ou arbre radial du moyeu correspondant, la butée à billes selon l'invention permet d'atteindre 600 heures de fonctionnement suivant des cycles opérationnels de (hélicoptère sans regraissage, ce qui double sensiblement la durée de vie des butées à bil les constituées par une batterie de roulements à billes à contact oblique tradi tionnels, par rapport auxquels les roulements à billes selon l'invention offrent en outre un gain de masse substantiel, de l'ordre de 10 %. REVENDICATIONS 1. Roulement à billes, du type à contact oblique, comprenant une rangée de billes disposées entre et en contact roulant avec une gorge de roulement intérieure 17) d'une bague extérieure (5, 18) en acier et une gorge de rou lement exterieure (6, 19) d'une bague intérieure (7, 20) en acier, la gorge exté rieure (6, 19) ayant sa concavité tournée radialement vers rextérieur du roule ment (1, 2) et, de préférence également, axialement vers run des deux côtés du roulement (1, 2), et la gorge intérieure (4, 17) ayant sa concavité tournée radialement vers l'axe (X-X) du roulement (1, 2) et axialement vers rautre du roulement (1, 2), de sorte que les gorges (4, 6 ; 17, 19) sont sensiblement en regard une de l'autre, les billes (3) étant espacées les unes des autres direction circonférentielle autour de taxe (X-X) du roulement par une cage (13, 25) à billes disposée entre les bagues (5, 7 ; 18, 20), caractérisé en ce que les billes (3) sont en céramique, au moins en surface, les bagues en acier (5, 7 ; 18, 20) sont revêtues sur toute leur surface d'une couche de sulfure de molybdène (MoSx) ou de nitrure de titane et d'aluminium (MAIN). 2. Roulement à billes selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de MoSx ou de MAIN est une couche déposée par pulvérisation catho Bique. 3. Roulement à billes selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les billes (3) sont frittées en céramique. 4. Roulement à billes selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, ca- ractérisé ce que la céramique est au moins en partie constituée de Si3N4 ou de TiC. 5. Roulement à billes selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, ca- ractérisé en ce que l'acier de la bague extérieure (5, 18) et l'acier de la bague intérieure (7, 20) sont choisis parmi les aciers à roulement traditionnels, de préférence du type 1 00C6 ou M50. 6. Roulement à billes selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, ca- ractérisé en ce que la cage (13, 25) monobloc et moulée en une matière synthétique, et se centre sur les billes 7. Roulement à billes selon la revendication 6, caractérisé en ce que la matière synthétique de la cage (13, 25), de préférence du polyamide 6.6, est chargée d'un additif ayant des propriétés de lubrification, de préférence du sulfure de molybdène (MoS2). 8. Butée axiale à billes, caractérisee en ce qu'elle comprend une batterie de plusieurs roulements (1) à billes à contact oblique selon l'une quel conque des revendications 1 à 7, empilés axialement en contact les uns avec les autres, d'une part, par leurs bagues intérieures (7), et, d'autre part, par leurs bagues extérieures (5), avec leur contact oblique incliné dans une même direction correspondant à un sens axial de charge de la butée à billes. 9. Butée axiale à billes selon la revendication 8, caractérisée en ce quelle comprend un roulement (2) à billes (3) à contact oblique supplémentaire, monté à une extrémité axiale de l'empilement des autres roulements (1) à billes (3) à contact oblique, et constituant un roulement de précharge dans le sens axial opposé au sens de charge des autres roulements (1) à billes dudit empi lement axial. 10. Application d'une butée axiale à billes selon l'une des revendications 8 et 9 à l'articulation en pas d'une pale d'un rotor dhélicoptère par rapport au moyeu dudit rotor.