Roulements à billes et économie d’énergie

Il y a, de nos jours, un besoin croissant pour des produits peu gourmands en énergie, ayant moins d’impact sur l’environnement. Cette demande va encore s’accentuer dans le futur et l’amélioration du rendement des machines et installations est un des défis de demain. C’est dans ce contexte que JESA SA, entreprise spécialisée dans la conception et la fabrication de roulements sur mesure et d’unités comprenant des roulements et des composants en polymère technique, a été amenée à étudier les solutions techniques permettant de fabriquer des roulements à billes encore plus  performants. Le potentiel d’économie d’énergie globale est considérable, puisqu’il s’agit de composants utilisés à large échelle dans une grande diversité d’applications.

Pour ce développement, une étude théorique a été menée en interne, puis des solutions ont été testées et validées sur différents bancs de tests.

Dans le cadre de ce projet, des collaborations scientifiques ont également été menées avec des Hautes Ecoles et Universités suisses.

Les causes du frottement dans un roulement à billes 

Les paliers à roulement permettent de transmettre un mouvement de rotation entre deux corps, avec peu de frottement, grâce au roulement des billes qui se fait avec peu de glissement relatif des surfaces. Le frottement, l’échauffement et l’usure sont ainsi limités par rapport à d’autres solutions de guidage en rotation, tout en garantissant une grande précision de positionnement et un faible bruit.

Certains facteurs génèrent malgré tout de la friction qui se traduit par une dissipation d’énergie et une production de chaleur défavorable à la durée de vie et au rendement du produit final.

Les roulements dits « standards» offrent généralement la meilleure capacité de charge possible pour une dimension donnée. Ils conviennent au plus grand nombre d’applications, mais représentent un compromis qui n’est pas optimisé pour une application précise. Ils peuvent, dans certains cas, présenter une friction supérieure à ce qui serait nécessaire au bon fonctionnement de l’application.

JESA SA fournit des roulements sur mesure développées en fonction d’un cahier des charges. Cette démarche offre la possibilité de répondre aux demandes de ses clients avec des produits optimisés en fonction de leurs besoins.

Frottements internes et optimisation des composants

Les joints 

La cause principale du frottement dans un roulement à bille étanche est généralement le frottement des joints. Ce type d’étanchéité est souvent incontournable lorsque les roulements sont exposés à un niveau de contamination élevé, afin de garantir la propreté nécessaire à leur bon fonctionnement. Ces éléments sont généralement constitués d’une fine tôle enrobée d’élastomère synthétique de type NBR, HNBR ou FKM, sélectionné en fonction de la température d’utilisation. Une ou deux lèvres flexibles sont en appui radial ou axial sur la bague opposée afin de garantir l’étanchéité. La recherche de la forme et de la précontrainte optimale offrant le meilleur compromis entre étanchéité et friction est essentielle pour augmenter le rendement. On peut atteindre jusqu’à 50% de réduction de frottement grâce à l’utilisation de joints avec un design amélioré, sans pour autant diminuer l’étanchéité. Un traitement de surface spécial est, au besoin, disponible afin de limiter le coefficient de frottement de la matière et donc de réduire la friction.

Un autre axe d’optimisation est l’optimisation de la rugosité de la surface métallique en contact. Lorsqu’il y a suffisamment de place, il est parfois possible de remplacer un joint frottant par plusieurs joints sans contact, ce qui permet de réduire significativement les pertes en garantissant l’étanchéité requise.

index

Figure 1 :        Double joints sans frottement.

Cisaillement du lubrifiant dans les zones de contact billes-anneaux 

Le lubrifiant a pour rôle principal d’éviter un contact métal-sur-métal des billes contres les anneaux d’un roulement, en séparant les surfaces grâce à un film de faible épaisseur. Les aspérités des surfaces sont ainsi écartées et n’entrent pas en collision, ce qui permet d’améliorer de manière significative la durée de vie du produit. La lubrification la plus répandue est la lubrification à vie à la graisse qui offre une grande simplicité de mise en œuvre. Toutefois, une lubrification avec circulation d’huile est parfois nécessaire.

index2

Figure 2 :        Détail des surfaces billes-anneaux  dans un contact lubrifié en régime mixte. Dans ce régime un contact occasionnel des surfaces est possible.
     [Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC Taylor&Francis Group, 140]

Le choix de la viscosité et du type d’huile de base est déterminant afin de garantir une épaisseur de film de lubrifiant optimale. Une viscosité trop élevée entraînera une augmentation inutile de la friction et de la température, alors qu’une viscosité trop faible provoquera un frottement de type mixte ou limite avec collision des aspérités des surfaces et réduction sévère de la durée de vie. Il n’existe pas de graisse universelle convenant à toutes les applications. Une graisse choisie sur mesure, en fonction de l’application, permettra d’optimiser l’épaisseur du film de lubrifiant et donc, d’obtenir le frottement le plus faible ainsi que la meilleure durée de vie possible.

courbe-de-stribeck

Figure 3 :        Courbe de Stribeck décrivant les différents régimes de frottement
                        [Sksana Banakh, 2010, Traitements de surface à usage tribologique, Cours FSRM]

Il est possible de calculer le régime de lubrification, en tenant compte de la rugosité des surfaces, de l’épaisseur minimale du film de lubrifiant créée en fonction des charges, des vitesses relatives, de la géométrie et de la température et des caractéristiques du lubrifiant.

f1

L = paramètre d’épaisseur de film
hmin = épaisseur minimale du film de lubrifiant formé [mm]
sr = rugosité RMS (= 1.25 x rugosité Ra [µm]) des chemins de billes [µm] 
SRE = rugosité RMS (= 1.25 x rugosité Ra [µm]) 
 
-Pour , le régime de lubrification est limite
-Pour , le régime de lubrification est mixte
-Pour , le régime de lubrification est élastohydrodynamique
 

Différentes méthodes existent pour calculer l’épaisseur minimale du film de lubrifiant dans la zone de contact. Une des plus utilisées est celle de Hamrock et Dowson :

f2

hmin = épaisseur minimale du film de lubrifiant formé [m]
α = coefficient de pression/viscosité [m2/N]
h0 = viscosité dynamique à la pression atmosphérique [Pa · s]
U = vitesse d’entrainement de la surface [m/s]. Moyenne de la vitesse linéaire du corps roulant (UA) et de la vitesse du point de contact sur l’anneau intérieur ou extérieur (UB)
E’ = module de Young réduit [Pa]
W = charge sur le corps roulant [N]
e = nombre d’Euler
k = paramètre d’ellipticité de l’ellipse de contact, rapport des demi-axes a/b. Peut-être approximé par 
Rx = rayon de courbure réduit dans l’axe x
Ry = rayon de courbure réduit dans l’axe y
 

Un bon état de surface des pistes et des billes est essentiel pour assurer un facteur L > 3, sans avoir à utiliser un lubrifiant excessivement visqueux, et donc assurer une bonne durée de vie au roulement tout en limitant sa friction. JESA SA est équipé de machines de dernière génération, permettant d’effectuer un usinage de finition de très haute qualité et d’atteindre d’excellents états de surface.

Brassage du lubrifiant par les billes et la cage

Une partie du frottement est créée par le brassage du lubrifiant par les billes et la cage et ceci, de manière marquée lors du rodage, lorsque la graisse n’est encore bien distribuée dans le roulement. La géométrie de la cage, la taille des billes ainsi que leur nombre influencent ce brassage. Le type de savon épaississant utilisé dans la graisse, la classe de NLGI, ainsi que le volume initial de lubrifiant ont également un impact sur la friction. L’application va également être déterminante pour le bon choix de ces paramètres.

Géométrie interne et friction dans les zones de contact bille-anneaux 

Comme les matériaux utilisés ne sont pas indéformables et que les pressions de contact sont très élevées, il y a une déformation élastiques des billes et des pistes dans les zones de contact. Cette déformation provoque deux principaux types de frottement :

  1. Pertes par hystérèse

Lorsqu’une bille roule sur une surface, il se forme un bourrelet de matière, à l’avant du contact, qui doit être déformé élastiquement pour que la rotation puisse se poursuivre. L’énergie consommée est partiellement restituée par la matière qui reprend sa position à l’arrière du contact, mais pas entièrement. La différence d’énergie correspond à la perte par dissipation.

roulement

Figure 4 :        Roulement d’un cylindre sur un plan, déformation des surfaces
     [Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC  Taylor&Francis Group, 129]
 

2. Microglissement

La zone de contact entre les billes et les chemins de billes a une forme d’ellipse plus ou moins allongée en fonction des rayons de courbure choisis pour les chemins de billes, par rapport au diamètre des billes. Un glissement relatif des surfaces est provoqué par l’élasticité des matériaux, et, seuls deux points de l’ellipse roulent sans glisser, dans le cas d’un roulement à gorge profonde chargé radialement.
index5

Figure 5 :        Détail d’un contact bille-chemin de bille montrant le rayon moyen après déformation ainsi que les deux points A-A où il y a roulement pur.
[Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC  Taylor&Francis Group, 45]
 

Plus les ellipses sont étendues et plus les vitesses de glissement sont élevées aux extrémités de l’ellipse, ce qui augmente le frottement.

bille-chemin-glissement

Figure 6 :        Détail d’un contact bille-chemin de bille montrant les lignes de glissement ainsi que les deux points A-A où il y a roulement pur.
[Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC  Taylor&Francis Group, 46]
 
index7
Figure 7:         Détail d’un contact bille-chemin de bille montrant les amplitudes des vitesses de glissement.
                        [Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC  Taylor&Francis Group, 138]
 

Dans un roulement standard, on cherche généralement à maximiser la surface des zones de contact entre billes et anneaux, afin de réduire les pressions superficielles et donc d’augmenter la capacité de charge du roulement. Cette optimisation se fait malheureusement au détriment de la friction qui augmente avec la surface de contact. Grâce à ses outils de calcul, JESA SA est en mesure de déterminer la géométrie interne optimale permettant de limiter au maximum la friction, tout en garantissant la durée de vie demandée.

Frottement de la cage sur les billes et les anneaux

L’utilisation d’une cage permet de limiter la friction en évitant que les billes ne roulent les unes contres les autres, comme c’est le cas dans un roulement plein de billes. La cage est elle-même en contact avec les billes et parfois, également avec l’anneau intérieur ou l’anneau extérieur, ce qui provoque des pertes par cisaillement du lubrifiant ainsi que du glissement.

La qualité de fabrication de la cage, sa géométrie ainsi que la manière dont elle est fabriquée ont une influence sur la friction générée.

Une gamme de polymères techniques, à faible coefficient de frottement, peut-être utilisée par JESA pour l’élaboration de cages à faible friction, ce qui permet de réduire les pertes par rapport à une cage conventionnelle en acier, tout en offrant une meilleure résistance aux vibrations. Une simulation de déformation de la cage à haute vitesse peut être réalisée, si nécessaire, grâce à un logiciel d’analyse par éléments finis, afin d’exclure tout risque de déformation excessive entraînant un contact involontaire.

Validation pratique 

Il est difficile de calculer avec exactitude le frottement d’un roulement, car le nombre de paramètres qui influent cette valeur est important. Certains programmes permettent de calculer une valeur de frottement relativement précise pour des roulements standards, mais les résultats peuvent fortement diverger de la réalité, pour des roulements spéciaux.

JESA est équipée d’un banc de tests permettant de mesurer la friction des roulements pour différents régimes de rotation. Une validation pratique des calculs est faite sur ce banc, de manière à s’assurer du niveau de friction réel des produits.

index8

Figure 8          Banc de test de mesure du couple de friction

Un banc de tests tribologiques a été développé en collaboration avec l’Ecole d’Ingénieurs de Fribourg et permet de quantifier avec précision la friction de différents matériaux et revêtements sous charge et vitesse variable. Une cellule indépendante permet d’appliquer des pressions de contact de 0-4’200MPa sur deux anneaux de tests, par l’intermédiaire de 2×3 billes. Cette cellule peut être installée sur un rhéomètre, pour les mesures de friction, ou accouplée à un moteur, pour effectuer des tests de durée de vie.

index9

Figure 9          Cellule de test montée sur un rhéomètre

index10

Figure 10        Cellule de test installée pour test de durée de vie

Exemple concret 

La société Bobst SA est l’un des leaders  mondiaux dans la conception et la fabrication de machines de confection d’emballages en carton. Certaines de ses machines sont de grandes dimensions et utilisent plusieurs centaines de roulements permettant de soutenir et guider des courroies plates, lesquelles servent à entraîner les cartons au travers de la machine.

Ces roulements sont uniquement sollicités avec de faibles charges et des roulements « standards » plutôt optimisés  aux fortes charges sont donc peu adaptés. JESA  SA a proposé un roulement spécial optimisé selon le cas de charge du client. La construction et la géométrie interne  ont été revues et la quantité et le type de lubrifiant adaptés. Des doubles-joints spéciaux, sans contact, assurent une bonne étanchéité aux fibres de carton, sans pour autant péjorer la friction.

index11

Figure 11        Galet spécial développé par JESA SA

Avec un tel produit, il est possible de diviser par 2, voire par 3, la friction des roulements. Une fois multipliée par la quantité de roulements par machine, une économie d’énergie non négligeable peut être réalisée sur le produit final. L’impact de la machine sur l’environnement est réduit et les coûts de fonctionnement abaissés.

Sources :

1.        Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC  Taylor&Francis Group
2.        Gwidon W. Stachowiak, Andrew W. Batchelor, 2005, Engineering Tribology, Elsevier, 
            ISBN-10: 0-7506-7836-4
3.        Sksana Banakh, 2010, Traitements de surface à usage tribologique, Cours FSRM

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

Ce site utilise Akismet pour réduire les indésirables. En savoir plus sur comment les données de vos commentaires sont utilisées.