Roulements à aiguilles : 60 ans et toujours en évolution

Jul 20, 2023

Alors que la conception de base d'un roulement à aiguilles n'a pas beaucoup changé au cours des 60 dernières années, des développements continus ont abouti à de nouvelles conceptions de cage qui offrent cinq fois la durée de vie et doublent la charge statique de leurs homologues d'origine. La plupart des ingénieurs de conception connaîtra déjà les avantages techniques offerts par un roulement à aiguilles - la capacité de gérer des charges relativement élevées dans une enveloppe de conception compacte. Cet avantage technique a fait du roulement à aiguilles le choix de roulement préféré dans une grande variété d'applications de transmission de puissance industrielles et automobiles au fil des ans. Un roulement à aiguilles est un roulement qui utilise de petits rouleaux cylindriques. Ces rouleaux sont utilisés pour réduire le frottement d'une surface en rotation. Par rapport aux roulements à billes, les roulements à aiguilles ont une grande surface en contact avec les tourillons des chemins de roulement. La structure typique d'un roulement à aiguilles comprend une bague intérieure (ou parfois juste un arbre), une cage à aiguilles qui oriente et contient les rouleaux à aiguilles, les rouleaux à aiguilles eux-mêmes et un chemin de roulement extérieur. Il existe de nombreuses conceptions différentes de roulements à aiguilles, y compris la coupelle dessinée, la bague de précision, le rouleau en cage et le rouleau de poussée. Ici, nous considérons le type à rouleaux en cage. La fonction d'un roulement à aiguilles en cage est de supporter les charges radiales et les vitesses de rotation. Ici, une cage guide et retient les galets. Les conceptions en cage se présentent normalement sous forme de conceptions à une ou deux rangées, avec une grande variété de matériaux de cage disponibles, notamment l'acier, le plastique (PA66) et l'aluminium. Les conceptions de roulements à plusieurs rangées augmentent la capacité de charge. Les cages, qu'elles soient en acier ou en plastique, peuvent être fabriquées dans une variété de constructions différentes, y compris une cage solide, une fente simple et des moitiés fendues (deux pièces). Ces cages peuvent également incorporer des passages de lubrification et d'autres caractéristiques conçues sur mesure. Les applications typiques des roulements à aiguilles en cage sont les boîtes de vitesses, les systèmes de transmission de puissance automobile, les moteurs à deux et quatre temps, les engrenages planétaires et les compresseurs d'air. Quel que soit le type des quatre principaux types de roulement à aiguilles est sélectionné pour une application, les ingénieurs doivent tenir compte de divers facteurs avant de prendre leur décision le plus tôt possible dans la phase de conception : la taille/l'enveloppe de conception, le type de charge, la capacité de charge, la vitesse, la température, le désalignement, le logement et les spécifications de l'arbre, la durée de vie et les exigences de lubrification. En 1949, à la fin de la Seconde Guerre mondiale, les fondateurs d'INA (aujourd'hui The Schaeffler Group), le Dr Georg Schaeffler et son frère Wilhelm, ont inventé un nouveau type de roulement à aiguilles, le Roulement à aiguilles en cage INA. C'est lors de la fabrication de roulements pour l'armée américaine que Georg Schaeffler s'est penché pour la première fois sur la manière de surmonter les inconvénients des roulements à aiguilles à complément complet. À l'époque, les conceptions de roulements à éléments roulants avaient tendance à s'incliner, en particulier à des vitesses de fonctionnement élevées, et souffraient donc d'une augmentation de la résistance au frottement (chaleur). De plus, le roulement se verrouillait facilement là où le jeu était serré. La solution du Dr Georg Schaeffler en 1949 était de guider les aiguilles axialement dans une cage. Le roulement à aiguilles en cage surmontait ces inconvénients tout en offrant des vitesses élevées et un faible frottement. Travaillant avec une équipe d'ingénieurs de l'INA, Georg a développé l'idée jusqu'à ce qu'elle soit prête pour la production en série, puis est partie avec son frère armé d'une caisse d'échantillons pour convaincre les clients des avantages de son nouveau roulement à aiguilles. Au cours des premières années, Le développement d'INA est étroitement lié à l'industrie automobile. En effet, la première cible du roulement à aiguilles en cage était l'industrie automobile et certains des premiers clients à se convertir à la nouvelle technologie étaient Mercedes Benz et Adler Motorcycles. L'activité roulements d'INA est véritablement lancée. En peu de temps, le roulement à aiguilles en cage du Dr Schaeffler est devenu un élément essentiel dans de nombreuses conceptions d'installations et de machines automobiles et industrielles. Il est remarquable que le génie technique du roulement à aiguilles en cage du Dr Schaeffler soit toujours utilisé dans sa conception d'origine aujourd'hui. Cependant, la conception originale n'a pas été immobilisée au fil des ans, mais a été continuellement améliorée et adaptée pour répondre à des demandes de plus en plus diverses. Le roulement à aiguilles en cage INA a apporté une contribution significative au développement de véhicules plus petits, plus efficaces et plus rentables. Même aujourd'hui, il serait difficile d'imaginer un système de transmission automobile qui n'utilise pas de roulements à aiguilles.Aujourd'hui, les roulements à aiguilles INA sont fabriqués dans plus de 15 000 variantes, avec de nouvelles conceptions personnalisées pour répondre aux exigences particulières des applications des clients.Usiné INA les roulements à aiguilles forment le cœur de la gamme, en particulier avec l'introduction récente de la norme de qualité supérieure X-life de Schaeffler. Les roulements à aiguilles produits selon la qualité X-life offrent désormais une augmentation de 13 % de la capacité de charge dynamique par rapport aux roulements conventionnels, ce qui correspond à une augmentation de 50 % de la durée de vie. et des températures de roulement plus basses, ce qui se traduit par un roulement plus économe en énergie. De plus, l'augmentation de la capacité de performance permet de réduire la taille du roulement pour l'application, avec des réductions correspondantes du poids du roulement et de son encombrement. Dans le cas peu probable où les exigences de l'application dépasseraient même les roulements X-life, d'autres améliorations des performances techniques peuvent être gagné grâce à l'utilisation de nouveaux revêtements et matériaux de roulement. Un projet actuellement en cours dans la division automobile de Schaeffler implique la refonte d'un ensemble d'engrenages planétaires à grande vitesse pour une transmission de boîte de vitesses automatique sur un nouveau véhicule de tourisme hybride électrique.Stewart Davies, ingénieur d'application principal chez Schaeffler (UK) Ltd commente : "L'industrie automobile est aujourd'hui sous une pression croissante pour produire des véhicules plus économes en carburant avec des émissions de CO2 plus faibles. Une méthode pour y parvenir consiste à améliorer la consommation de carburant du véhicule en réduisant la friction sur l'ensemble de la conduite Cela signifie réduire le poids de l'ensemble du véhicule en réduisant le poids de chaque composant. en jeu. "Davies dit qu'une conception spéciale de cage pour le roulement à aiguilles et des caractéristiques améliorées qui améliorent les caractéristiques de flux de lubrification du roulement, ont entraîné une conception de roulement à friction plus faible, ce qui a permis au client de régler l'engrenage planétaire pour les différentiels électriques être réduit en taille, pesant 17 pour cent de moins que le système d'origine. Les roulements, associés à un débit d'huile optimisé à travers le support, ont permis des vitesses de fonctionnement supérieures de 20 % (jusqu'à 8 000 tr/min). "La cage a été conçue sur mesure pour l'application. En raison d'une enveloppe de conception restreinte, la cage devait être plus petit pour accueillir l'arbre et l'alésage du boîtier de l'engrenage est fini pour supporter un chemin de roulement. Sinon, une bague extérieure ou intérieure aurait été nécessaire », explique Davies. Les roulements à aiguilles en cage peuvent être assemblés dans de nombreuses variétés pour le client. . Ceux-ci incluent des conceptions à une seule division, des types à demi-coque et une seule division avec des connexions à barre à ressort diagonale. De la fin des années 1980 au début des années 1990, les améliorations de la conception des cages se sont concentrées sur des conceptions plus minces avec une masse réduite. D'autres améliorations comprenaient de nouvelles caractéristiques de conception qui aidaient à déplacer le lubrifiant plus efficacement autour de toutes les zones du roulement, conduisant à un meilleur débit d'huile. À l'origine, les cages étaient conçues simplement pour guider les éléments roulants. Cependant, plus récemment, les roulements à aiguilles ont été équipés de conceptions de cage bien améliorées, y compris, par exemple, des cages spéciales prétraitées. La précession aide non seulement à répartir l'usure entre tous les rouleaux, mais distribue également le lubrifiant autour du roulement. Le "faux effet Brinell" est un mode de défaillance typique des roulements à aiguilles en cage, en particulier dans les applications de transmission de puissance. Ces modes de défaillance sont généralement causés par des micro-vibrations et des mouvements entre les éléments roulants et les tourillons des chemins de roulement, créant des conditions de contact métal sur métal. offrent des capacités de charge statique jusqu'à 25 % supérieures pour un roulement de taille similaire, ce qui équivaut à plus du double de la capacité de charge dynamique. Pour les applications avec plusieurs petits mouvements, la durée de vie des roulements augmente généralement de trois à cinq fois. Pour plus d'informations, visitez www.schaeffler.co.uk