Brevet FR2859514A1 — publié le 20050311

La présente invention concerne les paliers à roulement à billes ou équivalents. Le problème à l'origine de l'invention était lié à l'utilisation de tels paliers dans des industries requérant un haut degré de propreté, comme la pharmacie, pour lesquelles il est exclu de lubrifier ou graisser les billes, à cause du risque de contamination des produits fabriqués par des effluves grasses. Il fallait donc limiter les contraintes provoquant l'usure les billes, c'est-à-dire leur charge d'écrasement entre les deux pistes de roulement séparées par les billes et limiter la vitesse relative de ces pistes. Périodiquement, il fallait remplacer les billes. La présente invention vise à limiter l'usure des billes ou équivalent, sans nécessité d'un montage complexe. A cet effet, l'invention concerne un palier de couplage de deux pièces comportant deux pistes de roulement respectives, prévues pour défiler l'une devant l'autre par roulement d'une couche interposée d'une pluralité d'éléments rotatifs porteurs, libres de toute structure intégrale d'espacement mutuel et présentant une dureté superficielle déterminée, caractérisé par le fait qu'il comporte une pluralité autre d'éléments rotatifs, d'espacement longitudinal, respectivement intercalés libres entre les éléments rotatifs porteurs et 'présentant une dureté superficielle inférieure à la dureté superficielle des éléments rotatifs porteurs. Ainsi, par exemple dans le cas de billes, le palier présente une alternance de billes de type porteur, résistant à l'écrasement et en contact avec les deux pistes par deux calottes sommitales ponctuelles, opposées selon la direction transversale d'épaisseur du palier, et de billes de type d'espacement longitudinal, moins dures, évitant donc tout contact mutuel entre les calottes latérales des billes porteuses. Tout frottement entre les calottes latérales en regard de deux éléments rotatifs porteurs voisins, calottes à vitesses de même direction, transversale, mais de sens opposés, est ainsi supprimé, et, comme les éléments rotatifs porteurs roulent sur les deux pistes, il ne subsiste à ce niveau qu'un éventuel résidu de glissement si les deux surfaces de roulement ne sont pas exactement de même longueur, par exemple concentriques. Aucune structure intégrale, telle qu'un chapelet de cages ou d'axes, n'est ainsi nécessaire pour maintenir espacées les billes porteuses, ce qui simplifie le montage, les billes porteuses étant libres latéralement dans l'espace limité par les deux pistes et les billes d'espacement étant de même libres latéralement et éventuellement transversalement si leur diamètre est moindre. Entre deux éléments porteurs, il peut être prévu un ou plusieurs des éléments d'espacement, c'est-à-dire que les deux pluralités peuvent ou non être de même nombre. Ainsi, pour résoudre le problème de résistance à l'usure, la demanderesse a dirigé sa recherche de solution dans une direction totalement à l'opposé de celle qui semblait rationnelle, puisque la solution ici présentée consiste, d'une part, à autoriser un contact entre éléments rotatifs de types différents et, d'autre part, à prévoir une dureté plus faible pour les éléments rotatifs d'espacement, c'est-à-dire de les sacrifier pour ménager les éléments porteurs. Comme il est facile de prévoir que les éléments d'espacement assurent initialement un espacement latéral dépassant une valeur de seuil, ceux-ci continuent à assurer leur fonction de bourrage, pour maintenir hors de contact mutuel les calottes latérales des éléments porteurs, même en cas d'usure importante des éléments d'espacement. Les éléments d'espacement constituent ainsi des parois latérales de cage fictive, mobiles en translation longitudinale et en rotation sous l'action des éléments porteurs qui les repoussent latéralement, mais limitant le mouvement relatif longitudinal entre les éléments porteurs eux-mêmes, sans toutefois limiter le mouvement absolu de rotation et de translation de ceux-ci par rapport aux pistes. Les éléments rotatifs des deux types évoqués ci-dessus peuvent être des billes, des rouleaux cylindriques ou ovoïdes, ou tout autre élément de section sensiblement circulaire, résistant à l'écrasement, les deux types étant identiques ou différents dans toute forme de réalisation voulue. Avantageusement, les pistes présentent une dureté superficielle inférieure à celle des éléments porteurs. L'usure des éléments porteurs est ainsi limitée, si bien qu'ils conservent un bon état de surface et atténuent ainsi l'usure des éléments d'espacement. Les éléments rotatifs porteurs sont de préférence métalliques et les éléments rotatifs d'espacement peuvent être en matériau plastique. Les éléments rotatifs porteurs présentent avantageusement une dureté Vickers superficielle supérieure à 2000 HV. Pour limiter l'usure, les éléments rotatifs, respectivement porteurs et d'espacement, présentent de préférence un coefficient de frottement mutuel inférieur à 0,04. De préférence, les éléments rotatifs porteurs et les éléments rotatifs d'espacement sont sensiblement de même rayon. Éventuellement, plusieurs éléments rotatifs d'espacement sont intercalés entre deux éléments rotatifs porteurs voisins quelconques, de façon latéralement adjacente ou superposés. Les deux pistes de roulement peuvent appartenir à respectivement une vis et un écrou d'un boulon associé à une conduite de remise en circulation des divers éléments rotatifs, reliant une extrémité aval d'un tronçon des pistes à une extrémité amont du tronçon. Les éléments rotatifs porteurs peuvent en particulier être des billes et, de même, les éléments d'espacement peuvent être libres en rotation sous forme de billes. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'une forme de réalisation préférée du palier de l'invention, en référence au dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est une vue en coupe verticale schématique d'une cuve de lyophilisation comportant un mécanisme à palier à roulement selon l'invention, et - la figure 2 est une coupe verticale d'un tronçon du palier, illustrant les éléments rotatifs. La figure 1 représente schématiquement un mécanisme "ascenseur" destiné à translater verticalement une pluralité d'étagères 5 dans une armoire ou cuve de lyophilisation 10. Bien évidemment, l'invention n'est pas limitée à cette application particulière. Le mécanisme forme un. portique comprenant deux colonnes rotatives 2, d'axes verticaux 9, s'étendant sur toute la hauteur de chaque côté à l'intérieur de l'armoire 10, munies d'un filetage pour constituer des vis de support, de guidage et d'entraînement vertical d'une poutre horizontale 7 dont les deux extrémités comportent à cet effet deux trous taraudés 1, ou écrous, ici fixes en rotation. Les étagères 5 sont suspendues à la poutre 7 par un chapelet de biellettes articulées, non représentées, permettant de déployer l'ensemble des étagères 5 pour y placer des flacons, et ensuite de les reployer par descente de la poutre 7, afin d'y enfoncer des bouchons respectifs, en une seule opération. L'extrémité inférieure de chaque vis 2 est portée par un écrou support 6 à pas nul. Un moteur commun 3 entraîne en rotation les vis 2 dans le sens voulu. En variante, les deux écrous 1 pourraient être montés rotatifs et associés à un moteur, pour coopérer avec des vis 2 fixes. Un montage dual est aussi envisageable, dans lequel les deux vis 2 seraient remplacées par des écrous porteurs, rotatifs ou fixes. Les écrous 1 et les vis 2 constituent ainsi deux boulons d'entraînement des étagères 5, cette duplication pouvant ne pas être prévue dans un autre exemple. Une conduite 4 assure ici la remise en circulation, ou recyclage, de divers éléments rotatifs de palier représentés très schématiquement sur la figure 2. La conduite 4 relie un tronçon, ici d'extrémité aval, ou de sortie, de chaque boulon 1, 2 à un tronçon amont, ici d'extrémité d'entrée. Un tel montage à recirculation de billes étant décrit dans le catalogue de la société allemande Korta, une description plus détaillée est ici inutile. La figure 2 représente, en plan, le développement d'une vue en coupe circulaire sensiblement verticale, d'un tronçon ou secteur angulaire du palier en hélice de la figure 1. La coupe est effectuée selon une surface sensiblement cylindrique axée sur l'axe 9 et de rayon prévu pour passer sensiblement à mi-hauteur des deux filets coopérants 1, 2 à profils sensiblement en "V" entrelacés, la branche supérieure du "V" femelle (1) étant portée par la branche supérieure du "V" mâle (2) qui y est logé. Ainsi, une piste de roulement 11 supérieur de taraudage de l'écrou bas, et une piste de roulement 12 un flanc inférieur de filetage de tournée vers le haut. La coupe de par les points de contact de billes porteuses 21, 22, ci-après décrites, avec les pistes 11 et 12 qu'elles maintiennent à distance mutuelle. Les axes géométriques de rotation des éléments rotatifs du genre billes décrits ci-après sont perpendiculaires au plan de la figure 2. La légère inclinaison longitudinale des pistes 11, 12 sur la direction normale à l'axe 9, définissant le pas de filetage, n'apparaît pas sur la figure 2. La branche fonctionnelle 11, 12 de chacun des deux profils complémentaires en "V" présente un angle de dévers, qui fait que l'alignement des deux points de contact opposés 21E, 21V, respectivement 22E, 22V, de chaque bille porteuse 21, 22 est incliné d'autant sur l'axe 9. De ce fait, pour que la coupe de la figure 2 passe exactement, comme représenté, par les deux points de contact ci-dessus, la surface de coupe est en fait engendrée par un segment de se trouve sur un flanc 1, donc tourné vers le se trouve en regard sur la vis porteuse 2, donc la figure 2 passe ainsi droite incliné vers le haut sur l'axe 9 d'un angle égal à l'angle de dévers, et se déplaçant en vrille le long de l'axe 9 selon le pas du filetage 1, 2. La piste inférieure 12 présente une vitesse linéaire V selon la flèche V, ici vers la gauche, de déplacement parallèlement à la piste 11 de l'écrou 1 fixe en rotation. Les références 21 et 22 désignent deux éléments rotatifs, de type porteur, à sections circulaires de même diamètre, parmi une pluralité s'étendant sur toute la longueur des pistes 11, 12. Les éléments porteurs 21, 22, ici des billes, présentent une dureté superficielle déterminée choisie pour être relativement élevée, c'est-à-dire supérieure à une valeur de seuil minimal. Il s'agit, dans cet exemple, d'acier ayant subi un traitement de surface pour y incorporer un matériau résistant à l'usure, afin de conserver une très bonne qualité de poli. Comme évoqué précédemment, les points hauts de contact instantané des billes porteuses 21, 22 sur la piste d'écrou 11 sont référencés 21E et 22E et les points bas opposés de contact sur la piste mobile de vis 12 sont référencés 21V et 22V. Dans un autre exemple, les éléments rotatifs 21, 22 sont des rouleaux en contact avec les pistes 11, 12 selon une génératrice. Chaque rouleau peut être de rayon quasi constant, si la piste est transversalement rectiligne, avec toutefois, dans cet exemple, une légère conicité s'ouvrant vers l'extérieur pour compenser la croissance de la longueur de piste en fonction de la distance à l'axe 9. Le rayon des rouleaux peut aussi varier selon la position axiale correspondante sur le rouleau, ou distance à l'axe 9, si la piste présente un profil transversal courbe. On peut en particulier songer à un profil creusé en V ou toute autre forme, par exemple en forme de deux "C" à dos opposés, ou de deux troncs de cône reliés par leurs sommets. Un tel profil présente l'avantage de maintenir les éléments rotatifs porteurs 21, 22 dans la direction transversale voulue, perpendiculaire au plan de la figure 2. En effet, tout désalignement transversal ramène les tronçons extrêmes, de diamètre accru, vers le volume central de hauteur minimale entre les pistes 11, 12, si bien que celles-ci imposent une force de pression accrue sur l'élément rotatif 21, 22 concerné, qui tend ainsi à reprendre l'alignement transversal voulu. Dans le présent exemple, le profil transversal des pistes 11 et 12 pourrait ainsi, en variante, présenter une courbure voisine voire égale à celle des billes porteuses 21, 22. La référence 31 désigne, parmi une autre pluralité non entièrement représentée, un élément rotatif d'un autre type, précisément de type "espacement", intercalé entre les deux billes 21 et 22, donc longitudinalement dans le palier, pour éviter leur contact mutuel avec frottement au niveau de leur calottes latérales en regard 21G et 22D, à mi-hauteur. L'élément rotatif 31 est ici une bille qui, dans cet exemple, présente un diamètre sensiblement égal ou légèrement inférieur à celui des billes porteuses 21 et 22. La bille d'espacement 31 présente une dureté superficielle inférieure à celle des billes porteuses 21, 22. Précisément, la bille d'espacement 31 est ici en matériau plastique. Les pistes 11, 12 et les billes porteuses 21, 22 sont ici en acier inoxydable martensite ayant subi un traitement de surface DLC, (DiamondLike Carbon, pour carbone type carré), tandis que les billes d'espacement 31 sont en téflon, PTFE. La dureté Vickers des pistes il, 12 est ici d'environ 800 HV, celle des billes porteuses 21, 22 est supérieure et vaut environ 900 HV, avec une dureté de leur traitement encore supérieure et valant ici 3000 HV. La dureté Brinell des billes d'espacement 31 est ici d'environ 30 HK selon la norme DIN 53 456. Le coefficient de frottement entre une bille porteuse 21 (ou 22) et, respectivement, une piste 11 (ou 12) et une bille d'espacement 31, est ici de 0,1 à 0,2, respectivement inférieur à 0, 04. Les références 31E et 31V désignent les points de sommitaux courants "haut" et "bas" de contact de la bille d'espacement 31 avec respectivement les pistes 11 et 12, et les références 31D et 31G désignent les points latéraux, ou petites surfaces, à mi-hauteur, à droite et à gauche, respectivement en contact avec des points ou petites calottes de gauche 21G et de droite 22D, à mi-hauteur des billes porteuses respectives 21 et 22. Les détails de fonctionnement des éléments du palier vont maintenant être décrits. Lorsque la piste de vis 12 défile devant la piste d'écrou 11, les billes porteuses 21, 22 tendent à être entraînées en rotation, ici dans le sens des aiguilles d'une montre, jusqu'à une vitesse angulaire pour laquelle leurs points instantanés de contact 21V ou 22V présentent une vitesse linéaire relative nulle par rapport à la piste 12, c'est-à-dire la vitesse V pour un roulement sans glissement. Il en est de même pour leurs points instantanés de contact 21E et 22E avec la piste fixe 11. La bille d'espacement 31 peut avoir divers mouvements, selon les forces qu'elle subit. Ainsi, en cas de compression longitudinale par les billes porteuses 21, 22 tendant à se rapprocher, la bille d'espacement 31 tend à tourner dans le sens opposé à celui des billes porteuses 21, 22. En effet, la surface latérale 31D est entraînée à la vitesse linéaire V de la calotte en contact 21G et de la piste 12, cette vitesse étant toutefois montante selon la flèche Fi. Symétriquement, par rapport au centre de la bille d'espacement 31, la calotte 22D entraîne par frottement la surface en contact 31G à la vitesse V, verticalement vers le bas, selon la flèche F2. De ce fait, la bille d'espacement 31 roule quasiment sans glisser sur les billes porteuses 21, 22, ce qui contribue à éviter l'usure. L'une des extrémités sommitales 31E et 31V, voire les deux, est susceptible de frotter sur la piste 11, 12 en regard. Le frottement est toutefois sous faible pression, puisque la bille d'espacement 31 n'est pas porteuse. La bille d'espacement 31 ne subit essentiellement que des forces longitudinales de la part des billes porteuses 21, 22, à l'exclusion de forces transversales vers l'une des pistes 11, 12, puisque la bille d'espacement 31 est sensiblement de même taille que celles-ci, et n'est donc pas repoussée vers l'une des deux pistes 11, 12 par effet de coin. Son frottement sur les pistes 11, 12 est donc réduit. En variante, il peut être prévu que les billes d'espacement 31 soient remplacées par des rouleaux cylindriques ou de section variable, par exemple des troncs de cône à sommets opposés, tel qu'exposé plus haut pour les billes porteuses 21, 22. Dans cet exemple, les pistes 11, 12 présentent, comme indiqué, une dureté superficielle inférieure à celle des billes porteuses 21, 22. Ceci présente l'avantage de préserver la qualité de surface des billes porteuses 21, 22 et limite ainsi la vitesse d'évolution de l'usure de la bille d'espacement 31 par abrasion sur celles-ci, usure qui est due au fait que, même entraînée à la vitesse F1, F2 des billes porteuses 21, 22, la bille d'espacement 31 est écrasée longitudinalement de façon variable sur celle-ci, ce qui peut provoquer une usure si la qualité de surface des billes porteuses 21, 22 est insuffisante. La conduite 4 assure un rebouclage du canal, que forment les pistes 11, 12, sur lui-même et évite ainsi toute compression latérale excessive des divers éléments rotatifs 21, 22, 31. Comme il s'agit ici de billes, donc de forme exempte d'orientation spécifique à maintenir, la conduite 4 se présente sous la forme d'un tube de section interne circulaire. Dans le cas de formes allongées selon un axe de rotation, la conduite 4 aurait une section correspondante pour maintenir l'orientation voulue de l'axe, ou tout au moins comporterait, en partie haute, une embouchure de sortie conformée à cet effet. 2859514 12 Revendications 1. Palier de couplage de deux pièces comportant deux pistes de roulement respectives (11, 12), prévues pour défiler l'une devant l'autre par roulement d'une couche interposée d'une pluralité d'éléments rotatifs porteurs (21, 22), libres de toute structure intégrale d'espacement mutuel et présentant une dureté superficielle déterminée, caractérisé par le fait qu'il comporte une pluralité autre d'éléments rotatifs (31), d'espacement longitudinal, respectivement intercalés libres entre les éléments rotatifs porteurs (21, 22) et présentant une dureté superficielle inférieure à la dureté superficielle des éléments rotatifs porteurs (21, 22). 2. Palier selon la revendication 1, dans lequel les pistes (11, 12) présentent une dureté superficielle inférieure à celle des éléments porteurs (21, 22). 3. Palier selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel, les éléments rotatifs porteurs (21, 22) étant métalliques, les éléments rotatifs d'espacement (31) sont en matériau plastique. 4. Palier selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les éléments rotatifs porteurs (21, 22) présentent une dureté Vickers superficielle supérieure à 2000 HV. 5. Palier selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les éléments rotatifs, respectivement porteurs (21, 22) et d'espacement (31), présentent un coefficient de frottement mutuel inférieur à 0,04. 6. Palier selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les éléments rotatifs porteurs (21, 22) et les éléments rotatifs d'espacement (31) sont sensiblement de meme rayon. 7. Palier selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel plusieurs éléments rotatifs d'espacement (31) sont intercalés entre deux éléments rotatifs porteurs voisins (21, 22) quelconques. 8. Palier selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les deux pistes de roulement (11, 22) appartiennent à respectivement une vis (2) et un écrou (1) d'un boulon associé à une conduite (4) de remise en circulation des divers éléments rotatifs (21, 22, 31), reliant une extrémité aval d'un tronçon des pistes (11, 12) à une extrémité amont du tronçon. 9. Palier selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel les éléments rotatifs porteurs (21, 22) sont des billes. 10. Palier selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel les éléments d'espacement (31) sont des billes libres en rotation.