Tribologie/Guidage par roulement
Éléments historiques.
Entre les deux guerres mondiales, dans le lac Nemi, en Italie, deux épaves de vaisseaux datant du début de l'Empire romain ont été repêchées. On y a retrouvé plusieurs roulements à billes ou à rouleaux en bois et en métal. Leur utilisation n'a pas été expliquée à ce jour.
Léonard de Vinci nous a laissé un certain nombre de dessins de roulements, nous en retrouverons quelques-uns dans le chapitre spécialisé.
Richard Stribeck et John Goodman sont, avec Hertz, les pères des roulements modernes. Signalons que les premiers roulements que l'on puisse considérer comme de véritables composants industriels ont été montés sur des bicyclettes. Le nom d'un Français, Suriray, et la date de 1870, ont été retenus par certains chroniqueurs, mais ces éléments sont plus ou moins controversés.
Généralités.
Les roulements autorisent le déplacement relatif sous charge, en rotation ou en translation, de deux éléments mécaniques mobiles l'un par rapport à l'autre. Leur premier rôle est de diminuer les frottements et par là-même d'améliorer les rendements et les performances des machines.
Les roulements sont généralement classés en fonction des mouvements qu'ils autorisent et de la nature de leurs éléments roulants qui peuvent être principalement des billes, des rouleaux ou des aiguilles. Ces derniers varient dans une certaine mesure selon le mode de montage utilisé.
Le bon fonctionnement des équipements industriels dépend de plus en plus de la fiabilité des roulements mais, malgré des décennies de recherches, les avaries prématurées sont encore très nombreuses. C'est vrai en particulier pour les roulements qui tournent dans des conditions très sévères, comme ceux des machines vibrantes et des laminoirs, pour les roulements d'extrême précision ou pour ceux, beaucoup plus communs, qui équipent les moteurs électriques.
Bien des progrès ont évidemment été accomplis depuis l'époque héroïque, en particulier sur la qualité des matériaux utilisés. L'un des derniers en date concerne les roulements en céramique. Par rapport à l'acier, le module d'Young et la dureté sont beaucoup plus élevés, d'où une plus grande rigidité ainsi qu'une meilleure résistance aux températures élevées. En 1991, on admet que les ventes de roulements céramique vont décupler sur 5 ans. Sont concernées pour l'instant les industries aérospatiales, l'armement, la machine-outil, l'instrumentation.
Ce sont les billes qui sont en céramique, mais parfois aussi les bagues. Le nitrure de silicium est la céramique des roulements par excellence : faible densité, grande dureté, résistance à l'usure, à la fatigue et aux températures élevées, grande stabilité chimique. Le phénomène de grippage est très retardé par rapport à l'acier et il est possible de fonctionner avec une lubrification médiocre ou temporairement nulle pour les roulements tout céramique. Cette solution est chère mais quelquefois irremplaçable !
L'un des problèmes posés par les roulements est la rigidité. Cette dernière est souvent obtenue par une précharge, dont il est toujours difficile de connaître ou d'imposer la valeur exacte. Le couple de frottement d'un roulement préchargé chute très rapidement pendant la période de rodage. On ne peut donc s'en servir pour contrôler la précharge que sur des roulements neufs. Attention aussi à l'utilisation de roulements sur dimensionnés dans le but d'augmenter la rigidité : des dégâts peuvent en effet survenir lors d'un fonctionnement sous faibles charges. En effet, les billes ou les rouleaux ont alors tendance à glisser au lieu de rouler. Paradoxalement, des roulements sur dimensionnés n'accroissent pas forcément la sécurité.
Ce bandeau signale simplement que cet article est actuellement très incomplet, mais les données mises en ligne à ce jour peuvent d'ores et déjà être utilisées, en particulier dans les articles détaillés consacrés à la lubrification et aux avaries des roulements.
Divers types de roulements.
Roulements pour les mouvements de translation.
Guidages à rouleaux croisés.
Ces guidages sont précontraints afin d'obtenir des déplacements répétables, sans à-coups, tout en minimisant le jeu. Les cages qui maintiennent les rouleaux cylindriques sont disposées à 90 ° en alternance afin d'assurer la permanence du contact avec les chemins de roulement durcis. 
Précautions générales pour la manipulation des roulements.
À propos de propreté.
C'est un problème souvent sous-estimé. La présence de particules aussi petites que 5 µm dans un roulement peut fort bien provoquer une dégradation irrémédiable aboutissant à la mise hors service. Pour mémoire, le diamètre d'un cheveu est de l'ordre de 60 µm. Même si le roulement n'est pas détruit, ses performances sont réduites : précision diminuée, bruit, augmentation des frottements internes, ...
De telles particules peuvent être apportées par l'air ambiant, introduites par un transfert de produits contaminants contenus dans les lubrifiants ou les solvants ou directement lors de manipulations effectuées sans précautions suffisantes. On trouve par exemple des débris de tissus, des micro-copeaux métalliques, des poussières abrasives, des suies industrielles, etc., mais aussi des moisissures, des particules de peintures, des cendres de cigarettes ou des empreintes digitales.
Dès que les roulements sont retirés de leur emballage, les risques de contamination apparaissent. Le déballage doit être réalisé le plus tard possible et seulement après que la surface de travail a été convenablement nettoyée et préparée. L'usage de gants n'est pas anodin : ceux-ci sont souvent conservé dans du talc et leur composition n'est pas forcément compatible avec les produits utilisés dans les roulements. Dans le cas de petits roulements destinés à des instruments de précision, il vaut mieux utiliser des pinces chirurgicales que des gants. Il va de soi que la manipulation des roulements n'est pas compatible avec le casse-croûte sur place ou l'usage du tabac.
Le risque de décharges électrostatiques n'est pas à exclure, car des étincelles peuvent produire de fins débris qui iront polluer l'intérieur du roulement. Il en est de même avec les risques magnétiques. Un roulement magnétisé retient en effet beaucoup plus de débris que s'il a été démagnétisé avec soin. L'opération de démagnétisation doit être réalisée alors que le roulement est encore dans son emballage.
Le plan de travail sera autant que possible une surface métallique inoxydable ou mieux une feuille de matière plastique. Le travail sur une surface de métal peint ou plus ou moins oxydé doit être proscrit. De même, il ne faut jamais utiliser d'outils en métal peint ; ceux qui sont chromés présentent aussi des dangers car leur revêtement n'est pas toujours suffisamment adhérent et il peut libérer des particules très dures capables d'endommager les pistes de roulement.
Naturellement les mêmes précautions de propreté doivent être prises en ce qui concerne les mécanismes et les logements qui vont recevoir les roulements.
Charge dynamique de base C.
La charge dynamique de base C d'une série de roulements identiques est la charge radiale (ou axiale pour les butées) de direction et d'intensité constantes que peuvent supporter 90 % des roulement du groupe pendant un million de tours, dans des conditions normalisées, sans qu'apparaissent les premiers signes d'écaillage. 
Il s'agit évidemment d'une notion statistique. En pratique cette valeur peut être calculée par une formule définie par l'ISO, à partir du nombre et des dimensions des éléments roulants et des bagues. D'autres facteurs peuvent être pris en considération pour affiner les résultats.
La charge dynamique de base n'est pas la plus forte charge qu'un roulement peut supporter.
On fixe parfois, très approximativement, trois domaines de charge applicables au fonctionnement des roulements ; P est ici la charge équivalente appliquée au roulement :
Charge statique de base Co.
Elle correspond à la charge qui produit, à l'arrêt ou pour de très petites oscillations, des déformations permanentes des bagues et/ou des éléments roulants incompatibles avec un fonctionnement normal. En pratique, la plupart des fabricants admettent comme limite la charge qui provoque des déformations cumulées égales à 1/10000e du diamètre des éléments roulants. Toutefois, cette manière de faire est aujourd'hui fortement remise en question.
Charge optimale.
Dans la plupart des applications industrielles, un roulement qui supporte entre 6 et 12 % de sa capacité de charge dynamique est considéré comme normalement chargé. Pour les roulements sollicités radialement et correctement montés, la zone de chargement atteint alors un angle de 120 à 150°. 
Paradoxalement, des charges insuffisantes peuvent entraîner la destruction prématurée des roulements. L'étude de l'état des surfaces montre alors souvent que la zone de chargement n'atteint que 90° ou moins encore. Dans ces conditions, les efforts sont supportés par un nombre très faible d'éléments roulants, ce qui est défavorable pour le fonctionnement car il en résulte des vibrations importantes et, le plus souvent, un bruit de fonctionnement anormal. Par ailleurs, des charges trop faibles, un lubrifiant trop visqueux et des vitesses importantes peuvent faire que les éléments roulants glissent au lieu de rouler, ce qui finit généralement par engendrer un grippage. 
On cite le cas de certaines machines de papeteries, ou de ventilateurs, dont les roulements à rotule sur rouleaux devaient être remplacés tous les trois mois. Le remède a consisté tout simplement à les remplacer par des roulements à billes. L'augmentation relative des charges et la possibilité de diminuer la viscosité du lubrifiant (il faut au moins 20 cSt pour les roulements à rouleaux mais seulement 13 cSt pour les roulements à billes) suppriment tout risque de glissement. Par ailleurs, la température de fonctionnement diminue.
Vitesse limite.
Sa détermination n'est pour l'instant régie par aucune norme, chaque fabricant mettant en œuvre ses propres méthodes d'évaluation. 
En pratique, outre les effets des forces dynamiques liées à l'inertie des pièces en mouvement, c'est souvent l'équilibre thermique qui prévaut. Lorsque le flux de chaleur produit dans le roulement est égal au flux qui se dissipe par refroidissement, la température se stabilise à une valeur plus ou moins élevée. La vitesse limite est donc plus faible pour les roulements lubrifiés à la graisse que pour ceux qui sont lubrifiés à l'huile. La présence d'une étanchéité intégrée, forcément génératrice de frottements, abaisse la valeur.
La vitesse limite dépend du type de roulement, de la nature de la cage, de la géométrie interne, de la lubrification, de l'étanchéité, de la valeur des charges appliquées, de la précision du roulement et de son montage.
Matériaux et traitements.
En quelques dizaines d'années, l'amélioration des matériaux et des traitements a permis de faire progresser de façon spectaculaire les capacités de charge et/ou la durée de vie des guidages par roulement. Le remplacement de roulements anciens par d'autres plus modernes permet de bénéficier d'une bien meilleure fiabilité et parfois de frottements diminués. La résistance à la corrosion est également améliorée. De nombreuses recherches ont lieu actuellement pour aller encore plus loin dans cette voie.
Aciers.
Le matériau de base servant à fabriquer les bagues et les éléments roulants est l'acier. Naturellement il n'est pas possible d'utiliser ici des aciers ordinaires, qui ne résisteraient pas longtemps aux pressions énormes qui règnent au niveau des zones de contact et surtout au phénomène de fatigue résultant de l'application de contraintes variant de façon cyclique. À titre indicatif, les pressions qui règnent entre les bagues et les éléments roulants atteignent couramment des valeurs très élevées, de 3.000 à 3.500 N/mm2 ou plus. Ces valeurs dépassent d'ailleurs largement la limite d'élasticité des matériaux utilisés, sans pour cela que l'on assiste à la survenue de déformations plastiques. Cet apparent paradoxe est expliqué ici :
Depuis de nombreuses années, on cherche avant tout à obtenir des aciers de grande pureté, ne comportant aucune inclusion non métallique ; on fait particulièrement la chasse aux sulfures et aux gaz dissous. Les manques d'homogénéité dans la structure du matériau constituent en effet des amorces de rupture à partir desquelles naissent et évoluent les divers endommagements aboutissant à la mise hors service des roulements.
Les aciers pour roulements ont d'abord été coulés sous vide, ce qui a permis de faire des progrès considérables en ce qui concerne leur durée de vie. Aujourd'hui ils sont le plus souvent refondus sous vide, afin d'obtenir un degré de pureté et une homogénéité encore plus grands.
Il existe grosso modo deux grandes familles d'aciers destinés aux roulements : d'une part des aciers de cémentation, d'autre part des aciers alliés trempés dans la masse.
Traitements.
Nitruration.
La société NSK pratique la nitruration sur les cages des roulements à une rangée de billes destinés à fonctionner dans des environnements difficiles, afin de diminuer le frottement et l'usure. Le principal problème, maintenant surmonté, était de conserver la précision des cages malgré la déformation produite par le traitement. La vitesse maximale de rotation peut être accrue de 20%.
Chromage interne des alésages.
La Société FAG préconise un très mince revêtement de chrome à l'intérieur des alésages dans le but de réduire la corrosion de contact.
Matériaux composés.
La société NSK annonce la commercialisation de roulements fabriqués dans un acier spécial « Super Wear-Resistant » (SWR) dont la composition comporte des carbures métalliques. Ces roulements à rotule sur rouleaux ont été spécialement étudiés pour les guides à rouleaux des machines de coulée continue d'acier ; ils fonctionnent dans des conditions très dures alliant des charges très fortes à de faibles vitesses dans un environnement caractérisé par la présence d'eau et de poussières abrasives. La résistance est doublée par rapport aux roulements traditionnels.
Le traitement de carbonitruration mis au point par la société NSK donne aux surfaces de contact un grain très fin et une dureté très élevée, il multiplie la durée de vie par 7 par rapport aux aciers conventionnels. Un traitement thermique approprié permet d'optimiser la concentration en austénite ; ce constituant agit en diminuant les concentrations de contraintes au voisinage des défauts métallurgiques, de sorte que la résistance à la fatigue peut être multipliée par 10. La dureté à cœur du matériau SWR est multipliée par 5 par rapport aux aciers classiques et on peut augmenter les contraintes résiduelles de compression en surface, ce qui prévient les craquelures et les fissurations. Les résultats sur le terrain ont confirmé ceux qui avaient été obtenus lors d'essais en laboratoire.
Céramiques.
Les roulements comportant des éléments en céramique connaissent actuellement un fort développement, en raison de propriétés particulières que ne possèdent pas les roulements classiques. On trouve des roulements hybrides comportant des bagues métalliques avec des billes en céramique et d'autres dont tous les éléments sont faits de diverses compositions de céramiques. 
Les céramiques sont des matériaux à la fois plus rigides et beaucoup moins denses que les aciers. Le remplacement des billes métalliques par des billes en céramique permet donc de diminuer les déformations sous charge et d'atteindre des vitesses de rotation plus grandes. Par ailleurs, les frottements internes sont diminués, ce qui diminue les échauffements en service et donc les dilatations. Un autre avantage réside dans le fait que les céramiques sont des isolants électriques. Leur utilisation supprime donc les formes d'usure liées au passage de courants électriques vagabonds à travers le roulement, à savoir la cratérisation et la formation de cannelures. Les roulements hybrides XL de la société SKF ont été conçus spécialement pour les éoliennes.
Les céramiques les plus couramment utilisées sont à base de nitrure de silicium, un matériau beaucoup plus dur que les aciers et qui permet d'obtenir un allongement très significatif de la durée de vie. Les surfaces des billes sont très lisses et nécessitent d'utiliser un procédé spécial de polissage par jets de plasma.
L'entretien des roulements en céramique est simplifié et les besoins en lubrification diminués, par rapport aux roulements classiques. Les risques de corrosion sont également moindres.
Les cages.
Fonction des cages.
Outre ses bagues intérieure et extérieure et ses éléments roulants, un roulement comporte presque toujours un autre élément dont on parle moins mais qui joue pourtant un rôle essentiel : la cage qui assure la mise en position des billes, des rouleaux ou des aiguilles. Cette pièce est toujours guidée et entraînée par les autres parties du roulement.
Les cages sont soumises à des contraintes mécaniques provoquées par l'inertie et le frottement. Elles doivent par ailleurs supporter les agressions chimiques de certains lubrifiants, de leurs additifs ou des composés qu'ils engendrent par suite de leur vieillissement. Dans certains mécanismes, la présence accidentelle ou permanente de solvants, de fluides frigorifiques, etc., peuvent poser des problèmes.
Il est donc particulièrement important de bien choisir le matériau des cages, sous peine de nuire considérablement aux performances et à la fiabilité des roulements. Dans les cas les plus simples, on utilise des cages embouties en tôle d'acier ou parfois de laiton. On trouve aussi assez fréquemment des cages moulées par injection en polyamide renforcé ou non de fibres de verre.
Les gros roulements possèdent des cages usinées en acier, en laiton à haute résistance, plus rarement en fonte ductile ou en alliage d'aluminium.
Les matériaux des cages.
Contrairement à ce que l'on pourrait penser, les cages sont soumises à des sollicitations mécaniques importantes à cause du frottement, des effets de l'inertie, etc. Elles peuvent aussi subir les attaques chimiques de certains lubrifiants ou additifs et de leurs produits de dégradation, sans oublier l'action éventuelle de solvants organiques ou de fluides réfrigérants tels que l'ammoniac utilisé dans les installations frigorifiques. Le choix d'un matériau approprié est donc très important pour assurer une bonne fiabilité des roulements.
On trouve principalement trois grandes familles de matériaux adaptés à la fabrication des cages de roulements :
Acier embouti.
Les cages en acier embouti ou usiné sont les plus répandues. Elles ont pour avantages un coût modéré, une excellente solidité, et une bonne résistance aux lubrifiants et aux élévations de température. Les inconvénients sont l'absence totale de propriétés autolubrifiantes, un frottement plus élevé qu'avec les autres matériaux, un fonctionnement parfois bruyant et un risque de corrosion.
Polymères.
Les cages en résine phénolique ou en nylon sont faciles à fabriquer, leur coût est faible, elles possèdent des propriétés autolubrifiantes qui diminuent les frottements internes au roulement. Beaucoup de cages sont réalisées en polyamide 6,6 moulé par injection, armé ou non de fibres de verre. Outre leur aptitude au glissement, les cages massives en polymères moulés combinent une résistance élevée, une grande capacité de déformation et un faible poids. Elles résistent généralement bien à la corrosion et procurent un fonctionnement silencieux grâce à leur capacité d'amortir les vibrations. La faible masse volumique des polymères réduit les effets de l'inertie, tandis que leurs bonnes propriétés de frottement leur permettent de fonctionner pendant un temps relativement long en cas de défaillance de la lubrification.
Il faut toutefois les utiliser avec prudence en raison de réactions possibles avec les additifs qui entrent dans la composition des lubrifiants et d'une température limite d'utilisation plus basse. Le vieillissement peut également poser des problèmes, lorsque les matériaux sont utilisés dans des conditions telles que leurs propriétés se dégradent progressivement au fil du temps.
L'emploi de matériaux renforcés tels que le PolyEtherEtherKetone (PEEK) associé à des fibres de verre est de plus en plus fréquent. Le VICTREX® PEEK™ permet d'atteindre une température de fonctionnement de 200 °C et résiste bien à de nombreux lubrifiants.
Laiton.
Les cages en laiton sont plus solides que les cages en matière plastique, elles possèdent des qualités autolubrifiantes intéressantes et résistent généralement bien à la corrosion et aux élévations de température. Ce sont aussi les plus chères.
Étanchéité.
Il est nécessaire de prévoir une étanchéité parfaite afin d'empêcher la pénétration de corps étrangers (poussière, eau, contaminants divers ...) dans le roulement et d'éviter les fuites de lubrifiant.
Les systèmes d'étanchéité (flasques, joints à lèvres) sont communément intégrés aux roulements à billes « rigides » et à quelques autres sortes de roulements. Il n'en est généralement pas de même pour les systèmes qui se séparent en plusieurs parties, comme les roulements à rouleaux coniques, ou ceux dont les divers éléments s'orientent les uns par rapport aux autres, comme les roulements à rotule sur rouleaux ; il faut alors avoir recours à des dispositifs d'étanchéité extérieurs dont la fiabilité laisse parfois à désirer, ce qui entraîne des dégradations anormales et des arrêts de production dans les installations industrielles.
La société NTN a mis sur le marché depuis quelques mois des roulements à rotule sur rouleaux scellés qui peuvent résoudre ce problème. Ces roulements ont des dimensions équivalentes aux systèmes classiques et peuvent donc se substituer dans de nombreux cas à l'existant, sans modification.
Évolutions en cours.
Roulements avec capteurs intégrés.
Les automobiles modernes haut de gamme sont équipées de dispositifs de sécurité toujours plus nombreux : ABS, systèmes évitant le dérapage lors des accélérations, correcteurs de trajectoire, etc. Pour agir au mieux, ces dispositifs doivent recevoir en temps réel toutes les informations relatives à la tenue de route et c'est à ce niveau que l'on trouve aujourd'hui les principales difficultés.
La Société Nouvelle des Roulements (SNR) étudie actuellement une nouvelle technique baptisée ASB 3 (Active Sensor Bearing) qui consiste à intégrer aux bagues des roulements des capteurs piézo-résistifs capables de mesurer en continu les micro déformations provoquées par les efforts de contact entre les roues et la route. Cette méthode permet, entre autres, d'évaluer le niveau d'adhérence de chaque pneumatique. Les signaux fournis par les capteurs sont directement transmis aux calculateurs qui évaluent alors les paramètres liés à la tenue de route.
Naturellement ce sont les bagues fixes qui peuvent être instrumentées le plus facilement. Leur forme doit être étudiée de façon qu'elles soient suffisamment déformables pour faciliter les mesures, sans que cela nuise évidemment à la fiabilité du composant.
Fabrication « sur mesure ».
La société Cooper Roller Bearing Company propose d'utiliser un refroidissement par eau pour limiter la température à 60 ou 80 °C tandis que la lubrification se fait à la graisse, par l'intermédiaire d'un système automatisé. Chaque roulement est réalisé « sur mesures » à l'aide de machines spécialisées, ce qui permet une meilleure adaptation aux conditions de fonctionnement par rapport au montage de roulements standards.
Roulements de très haute précision.
La société Barden a entrepris un programme de recherche visant à réduire le frottement en combinant les améliorations des matériaux, du fini de surface et de la lubrification, afin de rendre les roulements compétitifs par rapport aux guidages aérostatiques, hydrostatiques et magnétiques. 
Matériaux.
Le matériau Cronidur 30 contient une fine dispersion de carbonitrures qui lui confère une excellente résistance à l'usure, à la fatigue et à la corrosion tout en accroissant sa capacité de charge dynamique de 40 % et plus ou, à charge égale, en multipliant la durée de vie par 10. Ce matériau se prête à la réalisation de roulements hybrides dont les bagues sont en Cronidur 30 et les billes en céramique, ce qui améliore la résistance à l'usure et diminue le frottement de moitié par rapport à des roulements standard en acier 100Cr6.
Finition de surface.
La surface des pièces en contact et la structure des couches superficielles sont plus déterminantes pour les performances des roulements que les propriétés de volume des matériaux. L'évaluation de la rugosité au moyen du Ra a été utilisée depuis longtemps mais les récentes études de Barden ont montré que les directions des stries d'usinage et la forme des pics formés par les aspérités jouent un rôle très important. Il faut donc prendre en compte d'autres facteurs, comme le pourcentage de la surface réellement en contact, l'obliquité des stries, la symétrie du profil (la rugosité est-elle surtout créée par des pics ou des vallées ?), le caractère plus ou moins pointu et irrégulier des pics. Des profils asymétriques peuvent favoriser la formation du film lubrifiant. En s'approchant de la surface idéale, on fait en sorte que ce film sépare mieux les pièces, ce qui diminue les contraintes au niveau des contacts. 
Lubrifiant.
Le lubrifiant lui-même est très important et Barden collabore depuis longtemps avec les fabricants de graisse pour élaborer des produits parfaitement adaptés aux roulements de très haute précision. La graisse Arcanol L75, à base de polyalphaoléfines, possède diverses qualités : elle favorise le rodage, résiste aux températures élevées, ne présente pas de toxicité et sa viscosité est très stable en fonction des variations de température. Le rodage est une phase critique au cours de laquelle un mécanisme acquiert ses caractéristiques nominales ; la graisse Arcanol L75 permet de le réaliser en deux fois moins de temps qu'une graisse classique à base de baryum.