Brevet FR3068095A1 — publié le 20181228

DISPOSITIF DE ROULEMENT ROTULANT ROULANT La présente invention concerne un dispositif de roulement à billes (fig.3) dont les billes peuvent rouler à la fois pendant le mouvement de rotation et pendant le mouvement de rotulage. Les billes étant guidées. Utilisation de ce dispositif dans des constructions mécaniques où il est nécessaire de permettre un mouvement de rotation et un auto-alignement tout en en minimisant le couple de rotation et le couple de rotulage sous charges radiales, et en minimisant les jeux. La présente invention se rapporte donc au domaine des composants mécaniques, en particulier pour des paliers ou des articulations. Dans ce document, la rotation est définie comme étant le mouvement d'une pièce autour d'un axe de rotation. Cet axe de rotation est représenté en (115) fig.1, (215) fig.2 et (315) fig.3. Le rotulage est défini comme étant le mouvement angulaire de l'axe de rotation d'une pièce par rapport à sa position d'origine. Il est représenté en (116) fig.1, (216) fig.2, (316) fig.3. La charge radiale est définie comme la charge qui agit perpendiculairement à l'axe de rotation. La charge axiale est définie comme la charge agissant suivant la direction de l'axe de rotation. De l'art antérieur, on connait le dispositif des roulements à billes à auto- alignement (fig.1) .Ce genre de roulement est composé de billes (103) disposées en rangées et intercalées entre 2 bagues, une bague extérieure (105) et une bague intérieure (107). Les billes sont maintenues par une ou deux gorges circulaires (117) réalisées sur une bague et par une surface sphérique (111) réalisée sur l'autre bague. Ces gorges ont une forme en arc de cercle pour caler les billes. Elles sont réalisées généralement sur la bague intérieure. Les billes sont soit, côte à côte et se touchent, soit, elles sont séparées par une cage à billes. Ainsi pendant la rotation du roulement, autrement dit, pendant la rotation de la bague intérieure (107) autour de l'axe de rotation (115), la bague extérieure (105) étant fixe, ou l'inverse, les billes roulent entre la surface sphérique (111) et le fond des gorges(117). Les billes sont guidées grâce à la forme incurvée des gorges. 2 Les billes frottent les unes contre les autres, ou, si elles sont maintenues par une cage à billes, elles frottent contre la cage à billes, c'est un frottement minime. Ceci permet d'avoir un couple de rotation sous charge radiale, très faible. Le rotulage (116), quand à lui, se fait grâce à la surface sphérique, il s permet de compenser les défauts d'alignements pendant la rotation. Mais ce mouvement de rotulage se fait avec du frottement car les billes ne peuvent rouler qu'à l'intérieur des gorges et autour de l'axe de rotation du roulement (115). Lors du mouvement de rotulage les billes sont bloquées par les gorges et frottent, soit sur la surface sphérique, soit dans les gorges, 10 cela crée des surcharges ponctuelles par effet de coins. C'est un frottement acier sur acier, puisque, en général, ce type de roulement est en acier. Le couple de rotulage sous charge radiale est alors élevé par rapport au couple de rotation sous charge radiale puisque dans le premier cas il y a du frottement et dans l'autre un roulement de billes. Ce frottement est nuisible 15 au rendement du roulement et à sa durée de vie. Si les gorges étaient supprimées, autrement dit, si les billes pouvaient rouler librement entre 2 surfaces sphériques et, dans le cas où il n'y a pas de cage à billes, alors les billes auraient tendance à s'agglomérer aléatoirement dans les espaces nécessairement laissés libre pour permettre le rotulage, c'est-à- 20 dire entre flasques (106) et billes (103). Il y aurait quand même du frottement en rotulage car les billes, au lieu d'être bloquées par les gorges, seraient bloquées contre les flasques du roulement, de plus, les billes se répartiraient inégalement et le roulement ne supporterait plus forcement, les charges radiales et axiales. De même, dans le cas où les billes seraient 25 maintenues par une cage à billes, entre 2 surface sphériques, rien n'empêcherait cet ensemble composé de billes plus cage à billes de basculer d'un coté. Il y aurait alors dans un sens de rotulage, un blocage du roulement des billes qui frotteraient et un mauvais alignement face aux charges axiales et radiales. L'invention décrite plus loin dans ce document 30 propose une solution à ce problème de frottement en rotulage. De l'art antérieur, il existe aussi des roulements à billes, voir fig.2, où une troisième bague(220) est ajoutée autour de la bague extérieure (205). La rotation se fait grâce aux billes qui roulent dans des gorges circulaires 3 (217) et (218), réalisées cette fois sur la bague intérieure (207) et dans la bague extérieure(205). Ces deux dernières bagues n'ont pas de mouvement de rotulage possible l'une par rapport à l'autre. C'est la troisième bague (220) qui a la possibilité de rotuler autour de la bague (205) grâce à leur 5 contact sphérique (221). Mais, ce dispositif a des inconvénients. Il impose des contraintes géométriques pour limiter les jeux en raison de l'empilage des pièces. Il impose aussi un encombrement important puisqu'il y a 3 bagues. De plus, il faut permettre l'assemblage de la bague (220) sur la bague (205), pour cela, souvent une lumière (219) est réalisée à l'intérieur 10 de la bague (220), ou alors, cette troisième bague (220) est fabriquée en plusieurs parties ce qui rajoute de la difficulté de réalisation, et surtout, les 2 bagues (205) et (220) ont un contact sphérique (221) pour permettre le rotulage. Le couple de rotulage, sous charge radiale, dépend alors des matières en contact et des revêtements de surface car c'est la friction d'une 15 surface contre une autre surface. Il est, là aussi, élevé par rapport au couple de rotation d'un roulement de billes, sous charge radiale. Dans ces configurations de l'art antérieur fig.1 et fig.2 le roulement des billes se fait dans le sens de la rotation mais il se produit de la friction dans le sens du rotulage ce qui nuit au rendement et à la longévité et impose un 20 choix de matériaux et éventuellement de traitements de surface. L'invention propose une solution à cette problématique de frottement en rotulage. La présente invention sera comprise et ses avantages ressortiront à la lumière de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : 25 - la figure 1 est une vue en coupe d'un assemblage de l'art antérieur - la figure 2 est une vue en coupe d'un autre assemblage de l'art antérieur - la figure 3 représente l'invention : Un roulement rotulant roulant, en coupe. La coupe passant par l'axe de rotation. 30 Dans cet assemblage illustré par la figure 3, hormis les billes (303) qui sont sphériques, les pièces représentées en coupe sont des pièces de révolution autour de l'axe (315), elles ont des sections différentes. L'assemblage 4 comprend deux bagues guides (301), deux anneaux guides (302), deux rangées de billes (303), éventuellement une entretoise (304), une bague extérieure (305) ayant une surface sphérique (311), deux flasques guides (306) et une bague intérieure (307) ayant une surface sphérique (312). s La bague extérieure (305) est une pièce de révolution. Sa surface extérieure (325) est cylindrique elle permet un assemblage dans un alésage présent dans un ensemble supérieur avec un mode de fixation similaire à un roulement standard. Sa surface intérieure (311) est sphérique. Ses deux faces latérales sont parallèles. Deux lamages(327) réalisés sur les deux 10 faces latérales positionnent les flasques (306). Les flasques sont solidement maintenus par repoussage de la matière (sertissages) représentée par les piqures (313) ou soudures. Cette bague extérieure peut être réalisée directement dans son assemblage supérieur, c'est-à-dire dans son logement, le palier ou le support de ce roulement, si les contraintes 15 techniques le permettent et que cela est avantageux. Les flasques (306) sont des pièces de révolution. Leur face interne (308) est globalement sphérique. Cette forme doit être adaptée au mouvement de (301) et de (302) pour que (302) accompagne le déplacement des billes. Ils se positionnent par leur diamètre extérieur dans les lamages (327) réalisés 20 dans la bague extérieure (305). Ils sont solidarisés à la bague extérieure (305). Leur diamètre intérieur sera de préférence ajusté aux anneaux guides (301) en (322). Ils ont une épaisseur et une matière suffisantes pour résister aux efforts mécaniques. Les deux flasques ou un des deux pourront être taillés directement dans la bague (305) voir dans l'ensemble supérieur 25 (le palier) si les contraintes techniques, de montage, de réalisation, ou autre, le permettent et que cela est avantageux. La bague intérieure (307) est une pièce de révolution. Sa surface extérieure (312) est sphérique et elle est prolongée de 2 parties cylindriques (328) se terminant par deux faces parallèles (323). A l'intérieur de cette bague, un 30 alésage (324) est réalisé pour permettre l'assemblage avec un axe ou un arbre. Cette bague peut être réalisée directement dans l'arbre si les contraintes techniques le permettent et que cela est avantageux. 5 Les deux bagues guides (301) sont des pièces de révolutions. Le profil de leur section est fait de plusieurs formes. Un cylindre intérieur qui s'ajuste aux parties cylindriques (328) de la bague (307). Avec d'un coté de ce cylindre une première surface sphérique qui s'ajuste à la surface (312) de la 5 bague intérieure(307) et de l'autre coté une deuxième surface sphérique qui s'ajuste en zone (322) à l'extrémité du flasque (306) (dans le but de minimiser les risques d'intrusions de corps étrangers), son sommet en (310) est rayonné, c'est la zone de contact (310) avec les anneaux guides (302). Cette surface rayonnée rejoint une surface globalement conique liée à la 10 dite première surface sphérique. Dans le cas présent les 2 surfaces sphériques de (301) ont un même centre. Ces bagues guides (301) ou une des deux pourront être taillés directement sur la bague intérieure ou l'arbre si les contraintes techniques, de montage, de réalisation, ou autre, le permettent et que cela apparait avantageux. 15 L'entretoise (304) de section globalement rectangulaire, permet de conserver une distance entre les 2 rangées de billes (303), car il est préférable de maximiser la flèche formée par, l'arc sphérique de la surface (312) appartenant à la bague intérieure (307) et les 2 zones de contacts des rangées de billes (314) afin de résister aux efforts axiaux et de minimiser la 20 nécessité d'avoir des pièces précises. Autrement dit, le diamètre intérieur d'une rangée de billes doit être plus petit que le diamètre sphérique de la surface (312). On peut aussi envisager une entretoise ondulée et intercalée entre les 2 rangées de billes disposées en quinconce de manière à ce qu'aucunes billes ne se touchent. 25 L'entretoise (304) n'est pas obligatoire, cette entretoise (304) peut être remplacée par une cage à billes qui en plus de maintenir les 2 rangées de billes espacées comme précédemment, s'intercalerait régulièrement entre chaque bille pour réduire les frottements grâce au choix d'une matière appropriée. Sans entretoise (304) et sans cage à billes, les 2 rangées 30 identiques de billes sont l'une contre l'autre avec chaque bille d'une rangée en contact possible avec 2 billes de la rangée voisine, en quinconce. C'est le dispositif de guidage formé par (301), (306) et en particulier les anneaux guides (302) qui empêchent le décentrage de ces ensembles formés par, les 6 rangées de billes et entretoise, ou les cages à billes et les billes, ou uniquement les rangées de billes. Les deux rangées de billes (303) roulent entre les 2 surfaces sphériques(311) et (312). Les rangées de billes positionnent les 2 surfaces s sphériques qui ont alors un même centre grâce à un ajustement précis. Les billes sont calées de chaque côté par les anneaux guides (302), en contact direct ou indirect, si présence d'une cage à bille ou d'un autre élément d'interposition. Pendant le mouvement de rotation du roulement, les billes sont soit l'une 10 derrière l'autre, dans un même plan, formant une rangée de billes pouvant se toucher et réparties régulièrement autour de la surface sphérique intérieure (312), les rangées identiques étant séparées par une entretoise (304), soit les billes sont séparées par une cage à billes qui les maintient à égale distance tout autour de la surface (312) en 2 rangées identiques, soit 15 les 2 rangées de billes identiques sont côte à côte, en quinconce, soit les 2 rangées de billes identiques sont séparées par des billes intercalées. Les anneaux guides (302) sont des pièces de révolution ayant une section dont le profil est globalement triangulaire. Ils comportent une surface globalement plane (317) située du coté des billes, à l'opposé une surface 20 rayonnée (309) en contact avec la surface interne (308) de (306). Leur surface intérieure (310) est adaptée aux mouvements des bagues guides (301), des billes (303) et de la surface (308). Leur surface supérieure relie la surface rayonnée (309) et la surface (317). Explication du fonctionnement du dispositif (fig.3). Comme dit 25 précédemment le dispositif est montré en coupe. Ce qui sera nommé, le haut, est au dessus de l'axe de révolution(315), le bas, est donc en dessous. Un plan médian vertical, perpendiculaire à la coupe, passant par l'axe vertical central (329), divise le dispositif en une partie située à droite et une partie située à gauche. En considérant la bague extérieure (305) fixe, et la 30 bague intérieure (307) effectuant un mouvement de rotulage (316) de sens horaire, les billes roulent alors entre les deux surfaces sphériques (311) et (312) et le centre de chaque bille (303) se déplace. On suppose que toutes 7 les billes touchent les 2 surfaces sphériques de manière égale. Dans ce cas l'espace, en haut à gauche entre billes (303) et flasques (306) s'agrandit, il faut le combler pour maintenir les billes en ligne car sinon peu à peu des billes se décaleront. Mais, de l'autre côté, en haut à droite, il faut au 5 contraire libérer de l'espace pour ne pas bloquer la rotation des billes qui avancent vers le flasque de droite. C'est l'inverse pour le côté en bas à gauche où il faut libérer de l'espace et en bas à droite où il faut combler l'espace. Il s'agit de pièces de révolution et d'un mouvement rotulant en sens horaire et anti horaire, il faut penser en trois dimensions. Si on 10 considère un plan passant par le centre des billes d'une rangée, alors les 2 rangées de billes se déplacent dans le sens du rotulage, leur plan respectif pivote. C'est le rôle des anneaux guides (302) de combler ou libérer les espaces. Les anneaux guides (302) sont eux-mêmes guidés par leur zones de contact (309) contre les faces intérieures des flasques (306) en zone 15 (308), ces flasques étant solidaires de la bague extérieure (305), et par leur zone de contact (310) contre les bagues guides (301), ces bagues guides(301) étant solidaires de la bague intérieure (307), et par leur face (317) contre les billes. Dès lors qu'il y a mouvement de rotulage et de rotation entre bague extérieure (305) et bague intérieure (307), alors les 20 formes géométriques de ces 3 éléments suivants, flasques (306), bagues guides (301) et anneaux guides (302), contraignent les anneaux guides (302) à suivre le déplacement des billes et évite leur dispersion aléatoire. Ainsi les billes peuvent rouler en tout sens entre les surfaces sphériques (311) et (312) tout en étant maintenues. 25 Dans le sens de la rotation, les rangées de billes sont alignées dans un même plan et roulent l'une derrière l'autre autour de la surface sphérique intérieure (312) et à l'intérieur de la surface (311). Dans le sens du rotulage, les rangées de billes roulent tout en étant maintenues alignées, au centre, par l'entretoise (304) et latéralement par les deux anneaux guides 30 (302) et ces derniers sont calés par les flasques (306) solidaires de la bague extérieure et les bagues guides (301) solidaires de la bague intérieure. Les billes retrouvent leur position angulaire initiale d'avant rotulage quand les bagues (305) et (307) retrouvent leur position angulaire initiale. C'est le mouvement de rotulage de la bague (305) par rapport à la bague (307) ou 8 l'inverse, qui permet de déplacer les deux anneaux guides (302) positionnés de chaque coté des rangées de billes (303) par l'intermédiaire des flasques (306) et des bagues guides (301) et des billes. Le problème de friction de l'art antérieur est ainsi résolu et de nouvelles combinaisons de 5 matériaux sont possibles. En pratique, les bagues, intérieure (307) et extérieure (305), pourront être dans un matériau dur en acier à roulement comme le 10006 ou Z100CD17, les billes en acier 10006 ou acier inox Z100CD17. Les flasques (306) pourront être usinés dans une barre d'acier inox type 10 X5CrNiCu17-04 ou équivalent, ou réalisés dans une tôle d'acier inox emboutie comme le Z1OCNT18-11 ou le X10CrNi18-8 ou équivalent. La solidarisation des flasques (306) avec la bague extérieure (305) peut être envisagée par un repoussage de matière (313) (par exemple, un sertissage à crans, un sertissage à billes..) ou par soudure. 15 Les bagues guides intérieures (301) pourront être réalisées dans une matière ayant des propriétés de glissement comme du téflon ou du nylon chargé de graphite ou équivalent. Elles pourront être solidarisées à la bague intérieure (307) par un ajustement serré, ou un collage, ou en réalisant une gorge circulaire dans les bagues guides (301) et un bossage circulaire sur 20 partie cylindrique(328) de la bague intérieure (307) afin de réaliser un emboitement mécanique en jouant sur l'élasticité de la bague guide. Les anneaux guides (302) sont mobiles et frottent contre les flasques (306), contre les billes (303), et contre la bague guide(301) on pourra envisager une pièce en acier inox X5CrNiCuNb17-04, ou en plastic peek, ou en 25 nylon+graphite. La cale intercalaire (304) pourra avantageusement être réalisée dans un matériau minimisant le frottement comme du téflon ou du nylon+graphite. Un alésage (324) est réalisé dans la bague intérieure (307). Des faces d'appuis (323) débordent à chaque extrémité. Il est ainsi possible 30 d'assembler la bague intérieure avec un arbre pour un montage entre paliers ou de l'assembler avec un axe pour un montage en chape dans un levier. La bague extérieure (305) peut être assemblée et fixée dans un alésage à la manière d'un roulement à billes standard. 9 Un élément d'étanchéité comme un joint torique (non représenté) peut être intercalé entre flasques (306) et bague (301) en zone (322) si les dimensions le permettent et si nécessaire. La bonne définition géométrique, la précision de réalisation, des états de 5 surface soignés sur les zones en contact sont très importants pour un bon fonctionnement. Les mouvements de rotulage ont une amplitude angulaire limitée par les contraintes géométriques liées à la construction mécanique de ce dispositif. Un graissage est recommandé, toutefois, la friction de ce dispositif étant minime, avec en plus l'utilisation de matériaux anticorrosion 10 et à faible coefficient de frottement, le graissage n'aura pas la même nécessité que dans les versions antérieures, cela dépendra aussi des applications, si les vitesses de rotation sont importantes, si fortes charges, de la dimension des pièces du dispositif etc... 15 Pour des applications industrielles on peut envisager des paliers pour arbres où il est nécessaire de permettre de la rotation et un réalignement pendant la rotation. Il faut aussi envisager les articulations des leviers de commande, autrement dit, lorsque pour transmettre un mouvement d'un point à un autre il est nécessaire de permettre de la rotation et un réalignement afin de 20 compenser les défauts géométriques des structures et où il est recherché des jeux minimisés et des couples minimisés, donc pour une utilisation en tant qu'articulation où un très faible frottement est recherché en rotation et en rotulage. La forme géométrique des pièces composant le dispositif représentés par la 25 fig. 3 et décrite précédemment est dépendante de l'amplitude angulaire voulue et qu'il est possible de réaliser. Elle est dépendante de la taille grande ou petite des billes utilisées par rapport aux surfaces sphériques. C'est-à-dire que la forme géométrique des pièces ainsi que leur nombre peut beaucoup varier tout en conservant cette idée qui est d'encadrer des 30 rangées de billes roulant entre 2 surfaces sphériques (311) (312), par deux pièces de révolution (302), elles mêmes guidées par l'intermédiaire d'autres pièces (306) (301) qui utilisent les mouvements relatifs de ces surfaces sphériques pour maintenir l'alignement REVENDICATIONS1- Un dispositif (3) de roulement permettant des mouvements de rotations autour de l'axe (315) et de rotulages, suivant (316), entre une bague extérieure (305) ayant une surface sphérique intérieure (311) et une bague intérieure (307) ayant une surface sphérique extérieure (312) , ces surfaces sphériques étant centrées par l'interposition de billes (303) de même diamètre, disposées régulièrement, en deux rangées, de chaque cotés du plan médian passant par (329) et autour de la surface (312) et de l'axe de rotation(315),Ies rangées étant soient côte à côte, soient maintenues espacées par une entretoise (304) ou par une cage à billes ou par des billes, caractérisé en ce que deux anneaux guides(302), disposés de chaque coté des rangées de billes, eux mêmes maintenus par deux flasques (306) liés à la bague extérieure (305) et par 2 bagues guides(301) liées à la bague intérieure (307) permettent à ces billes de rouler en tout sens, tout en les guidant, lors du mouvement d'une surface sphérique par rapport à l'autre surface sphérique. 2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les anneaux guides (302) soient des anneaux comportant une zone arrondie (309) en contact avec les flasques (306) en zone (308), ainsi qu'une face globalement plane (317) en contact direct ou indirect avec les billes (303), ou cage(s) à billes, et ayant un profil intérieur (310) dont le dimensionnement est globalement adapté au mouvements des bagues guides (301) et des billes (303) et des surfaces (308). 3- Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les flasques (306) ont chacun une face interne (308) globalement sphérique laquelle est adaptée au guidage des anneaux guides (302) ainsi qu'au mouvement des bagues guides (301) pour que les anneaux guides (302) accompagnent au mieux le déplacement des rangées de billes (303) 11 4- Dispositif selon les revendications 1, 2, 3 caractérisé en ce que les flasques (306), un ou les deux, sont solidarisés à la bague extérieure (305) ou font parties de la bague extérieure (305) ou du palier 5 suivant la possibilité technique la plus avantageuse. 5- Dispositif selon les revendications 1, 2, 3 caractérisé en ce que les bagues guides (301), une ou les deux, sont solidarisées à la bague intérieure (307) ou font parties de la bague intérieure (307), suivant la possibilité technique la plus avantageuse 10 6- Dispositif selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que le mouvement de la bague extérieure (305) par rapport à la bague intérieure (307) ou l'inverse, contraint le déplacement des anneaux guides (302) disposés de chaque coté des rangées de billes par l'intermédiaire des flasques(306), des bagues guides (301) et des 15 billes(303) qui roulent entre les 2 surfaces sphériques (311) et (312) appartenant respectivement aux bagues (305) et (307) . 7- Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé en ce qu'entre deux anneaux guides (302) il soit intercalé des rangées de billes identiques (303) et également réparties autour de la surface 20 sphérique (312) et de l'axe (315) et de chaque coté du plan médian passant par l'axe (329). 8- Dispositif selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les bagues guides (301) aient une forme extérieure sphérique qui s'ajuste 25 à l'extrémité des flasques (306) en zone (322) . 9- Utilisation du dispositif (3) en tant qu'articulation mécanique à faible frottement en rotulage et en rotation. La bague intérieure (307) pouvant recevoir un axe ou un arbre, ou être directement taillé sur lui 30 et la bague extérieure (305) pouvant être installée dans un alésage prévu à cet effet ou être directement taillée dans son logement.