Les roulements à billes à gorge profonde nécessitent-ils une précharge ? Guide complet

Les roulements à billes à gorge profonde n'ont pas besoin de précharge dans la plupart des applications standard. Ils sont conçus pour fonctionner avec un jeu interne contrôlé, et la précharge est une mesure conditionnelle pour des situations spécifiques telles que le fonctionnement à grande vitesse, les charges très légères, les limites strictes de bruit ou les exigences de rigidité élevées. Cet article explique ce que fait réellement la précharge, lorsque les roulements à billes à gorge profonde l'exigent réellement, et comment l'appliquer sans réduire la durée de vie du roulement.

Qu’est-ce que la précharge dans les roulements à billes ?

La précharge est une force axiale soutenue appliquée à un roulement lors de l'installation afin que les éléments roulants restent en contact continu avec les chemins de roulement. La force supprime le jeu axial libre qui existe à l’intérieur d’un roulement dans son état neutre et non chargé. En termes pratiques, la précharge convertit le jeu interne du roulement en un état de compression contrôlé.

Le jeu interne et la précharge sont des choses différentes. Le jeu interne est le jeu intégré conçu dans le roulement en usine, classé C0, C2, C3 ou qualités similaires. Le préchargement est un état de chargement créé au moment de l'assemblage. Lorsque la précharge axiale appliquée est suffisamment importante pour consommer le jeu interne, l’état de fonctionnement devient en fait un jeu négatif.

L'objectif principal de la précharge est d'empêcher les éléments roulants de déraper ou de perdre momentanément le contact avec les chemins de roulement. Lorsque le contact est continu, le mouvement est plus fluide, les forces d'impact disparaissent et l'ensemble de roulement devient sensiblement plus rigide.

Les roulements à billes à gorge profonde nécessitent-ils normalement une précharge ?

Nonn. Sous des charges radiales standard et des vitesses modérées, les roulements à billes à gorge profonde sont conçus et fabriqués pour fonctionner sans précharge. Le jeu interne intégré aux roulements standard permet la dilatation thermique et la déflexion sous charge normale. C'est pourquoi la majorité des roulements rigides à billes en service fonctionnent exactement comme ils sortent de leur boîte.

Les roulements à billes à gorge profonde utilisent la méthode d'assemblage Conrad, dans laquelle les billes sont insérées dans un espace entre les bagues intérieure et extérieure, puis espacées uniformément par la cage. Cette construction est naturellement adaptée à un fonctionnement avec un jeu défini plutôt qu'avec un contact axial forcé. L'application d'une précharge pousse le roulement hors de son état de fonctionnement basé sur le jeu, ce qui n'est justifié que lorsque l'application l'exige.

Les séries standard telles que 6000, 6200, 6300, 6800 et 6900 sont installées sans précharge dans les moteurs, les pompes, les appareils électroménagers et les équipements généraux de transmission de puissance. De nombreux constructeurs de moteurs installent des roulements standard directement sur l'arbre et dans le boîtier, sans aucune disposition de précharge. Il s'agit de l'attente par défaut dans l'ensemble du secteur, et elle s'applique à roulements à billes à gorge profonde pour moteurs tout comme pour les roulements à usage général.

Pour les applications qui n’exigent pas de rigidité ou de performances sonores particulières, un roulement étanche standard est généralement suffisant. Un Roulement à billes à gorge profonde scellé série 6000 avec des joints en caoutchouc, par exemple, préserve les conditions de jeu interne pendant l'installation et le fonctionnement, et il fonctionne sans précharge dans le service typique du moteur et de la pompe.

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Quand les roulements à billes à gorge profonde nécessitent-ils une précharge ?

La précharge devient pertinente lorsque les conditions de fonctionnement poussent un roulement à billes à gorge profonde en dehors de la plage pour laquelle son jeu standard a été conçu. Les situations ci-dessous sont celles qui reviennent le plus souvent dans la pratique.

Fonctionnement à grande vitesse

Lorsque la valeur dn (diamètre d'alésage en millimètres multiplié par la vitesse de l'arbre en tr/min) s'approche de la plage de vitesse élevée, les forces centrifuges peuvent soulever les éléments roulants du chemin de roulement extérieur et provoquer un dérapage. La précharge axiale maintient les billes en contact continu avec les deux chemins de roulement, empêchant ainsi le dérapage et la chaleur qu'il génère. Pour l'entretien des moteurs à grande vitesse, roulements de qualité moteur à grande vitesse sont construits avec un contrôle géométrique plus strict, mais la méthode d'installation doit toujours correspondre à la vitesse. Dans cette gamme, une légère précharge axiale est une pratique d’ingénierie courante et acceptée.

Charge radiale légère à grande vitesse

Lorsque la charge radiale est très faible, généralement inférieure à environ 1 à 2 pour cent de la charge dynamique nominale du roulement, les éléments roulants peuvent ne pas rouler de manière fiable et glisser à l'intérieur des chemins de roulement. Ce dérapage produit de l'usure et une température élevée. Une légère précharge crée une force de contact stable entre les billes et les chemins de roulement. C'est pourquoi roulements à billes miniatures à gorge profonde utilisés dans les petits instruments et les moteurs légers sont souvent préchargés avec des ressorts lorsqu'ils fonctionnent à grande vitesse.

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Charges variables ou de choc

Lorsque la direction ou l'ampleur de la charge change fréquemment, le jeu du roulement crée une brève perte de contact suivie d'un impact lorsque la charge revient. La précharge supprime ce jeu, de sorte que les éléments roulants restent en contact lors des inversions de charge, réduisant ainsi le bruit d'impact et la fatigue mécanique.

Limites strictes de bruit ou de vibrations

La précharge absorbe le jeu interne et limite le mouvement incontrôlé de la bille, ce qui réduit le bruit émis par le roulement. Dans les applications avec des limites sonores ou vibratoires strictes, un roulement légèrement préchargé fonctionne plus silencieusement que le même roulement fonctionnant de manière lâche. Pour un fonctionnement toujours silencieux, roulements à gorge profonde à faible bruit ajoutez un niveau supplémentaire de contrôle des tolérances de fabrication en plus de la précharge requise par l'application.

Grande rigidité ou précision de positionnement

La précharge comprime la zone de déflexion élastique du roulement, de sorte que la position de l'arbre se déplace moins sous des charges changeantes. Les broches de machines-outils, les platines de positionnement et les équipements de mesure s'appuient sur cet effet pour maintenir une position d'arbre stable.

Si vous n'êtes toujours pas sûr, parcourez cette liste de contrôle :

• La vitesse de fonctionnement est-elle élevée en termes de valeur dn ? Si oui, prévoir une précharge axiale.
• La charge radiale est-elle inférieure à environ 1 à 2 pour cent de la charge dynamique ? Si oui, une légère précharge est recommandée.
• La charge change-t-elle fréquemment de direction ou inclut-elle des chocs ? Si oui, la précharge stabilisera le roulement.
• Les limites de bruit ou de vibrations sont-elles strictes ? Si oui, combinez la précharge avec une qualité de roulement à faible bruit.
• La charge est-elle stable, modérée et principalement radiale ? Si oui, installez sans préchargement.

Comment appliquer une précharge axiale sur des roulements à billes à gorge profonde

Une fois que vous avez confirmé que le préchargement est nécessaire, la question suivante est de savoir comment l'appliquer. Trois méthodes sont couramment utilisées.

Précharge du ressort

La méthode la plus indulgente est la précharge du ressort. Une rondelle Belleville ou un ressort hélicoïdal applique une force axiale contrôlée à la bague extérieure ou à la bague intérieure. Étant donné qu'un ressort maintient une force relativement constante même lorsque la dilatation thermique modifie la distance entre les sièges de roulement, la précharge du ressort est le choix le plus sûr pour les roulements à billes à gorge profonde. C'est également la solution standard pour les configurations à roulement unique, où un roulement supporte la charge et le ressort maintient simplement les éléments roulants en contact.

Disposition à double roulement

La deuxième méthode utilise deux roulements rigides à billes montés face à face ou dos à dos. La précharge est définie par la différence de largeur entre l'entretoise de la bague intérieure et l'entretoise de la bague extérieure. Les entretoises usinées déterminent la force axiale que les deux roulements exercent l'un sur l'autre. Cette configuration produit un système plus rigide mais nécessite un usinage précis des entretoises et un assemblage minutieux.

Réglage du contre-écrou ou du couvercle d'extrémité

La troisième méthode est le positionnement axial rigide avec un contre-écrou ou un couvercle d'extrémité. Le roulement est serré axialement jusqu'à ce que le jeu interne soit absorbé. Cette méthode est simple mais la moins indulgente, car la force de serrage est difficile à mesurer et la dilatation thermique peut rapidement transformer une précharge correcte en une précharge excessive.

À titre de référence approximative, la précharge axiale d'un roulement à billes à gorge profonde se situe généralement dans la plage d'environ 0,5 à 2 % de la charge dynamique axiale du roulement. La valeur exacte dépend de la taille du roulement, de la vitesse de fonctionnement et de la rigidité requise par l'application. Considérez donc ce chiffre comme un point de départ plutôt que comme une spécification finale. Le fabricant du roulement doit confirmer la précharge recommandée pour votre tâche spécifique.

Risques de précharge excessive – et comment les éviter

Appliquer trop de précharge est un problème de terrain plus courant que d'en appliquer trop peu. Lorsque la force de précharge est excessive, la friction entre les éléments roulants et les chemins de roulement augmente fortement, et le premier signe visible est une augmentation de la température de fonctionnement. Une température du boîtier qui se situe constamment à plus de 30 °C environ au-dessus de la température ambiante est un avertissement indiquant que la précharge, la classe de jeu ou la lubrification doivent être révisées.

Une température élevée entraîne le deuxième problème : une dégradation accélérée du lubrifiant. Lorsque la graisse ou l’huile perd la résistance de son film, un contact métal sur métal s’ensuit et l’usure s’accélère rapidement. Dans le même temps, la charge effective du roulement est supérieure à la charge externe car la précharge s'ajoute à l'état de contrainte interne, ce qui raccourcit la durée de vie calculée en fatigue.

Un bruit anormal est un autre signal utile. Un roulement correctement préchargé fonctionne plus silencieusement qu'un roulement desserré, mais une précharge excessive produit un gémissement plus aigu ou un son rugueux lorsque les éléments roulants déforment les chemins de roulement. Si le bruit augmente après l'application de la précharge, réduisez d'abord la force de précharge avant de modifier d'autres paramètres. Pour en savoir plus sur les facteurs à l'origine des roulements bruyants, voir contrôler le bruit et les vibrations dans les roulements à billes à gorge profonde .

Il existe également un risque au niveau de la conception à garder à l’esprit. Les roulements à billes à gorge profonde ne constituent pas le choix idéal lorsqu'une application nécessite un positionnement axial bidirectionnel fréquent et précis. Les roulements à billes à contact oblique sont spécialement conçus pour supporter une précharge axiale et offrir une meilleure rigidité axiale. Si la précision du positionnement est une exigence de conduite, reconsidérez le type de roulement avant de décider d'augmenter la précharge sur un roulement à billes à gorge profonde.

Comment spécifier les exigences de précharge lors de la commande de roulements

Les roulements rigides à billes standard sont expédiés sans précharge ; la précharge est créée au point d'assemblage. Le processus de commande doit toujours refléter le plan de précharge, car la classe de jeu interne du roulement affecte directement la précharge pouvant être appliquée en service.

Choisissez la classe de jeu interne ainsi que la cible de précharge. Le jeu C3 est courant pour les fonctionnements à haute température ou à grande vitesse, car il laisse place à la dilatation thermique et la précharge axiale s'oppose à un jeu effectif réduit. Pour les applications de précision où un jeu interne minimal est acceptable, C2 ou une classe de jeu plus étroite peut être spécifiée. Indiquez clairement la classe de jeu et la force de précharge lorsque vous communiquez vos exigences au fournisseur.

Si l'application nécessite des paires de roulements appariées avec une précharge constante, indiquez-le dans la commande. Les roulements destinés à une configuration de paire préchargée doivent être sélectionnés ou fabriqués avec des dimensions adaptées ; il n'est pas garanti qu'une paire standard disponible dans le commerce produise le même comportement de précharge.

Les configurations personnalisées méritent une attention particulière. Les conceptions non standard telles que les bagues intérieures allongées, les joints spéciaux ou les matériaux de cage modifiés peuvent interagir avec la méthode de précharge. Discuter de la force de précharge et de la classe de jeu avec le fabricant au stade de la conception évite la situation dans laquelle la pièce livrée ne peut pas atteindre la précharge prévue. Pour les exigences personnalisées, solutions de roulements personnalisées non standard peut être adapté pour correspondre aux spécifications de précharge et de jeu de l’application.

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Conclusion : le préchargement est une exigence conditionnelle et non une valeur par défaut

La nécessité d'une précharge pour les roulements à billes à gorge profonde dépend entièrement des conditions de fonctionnement. La charge radiale standard à vitesse modérée fonctionne correctement sans précharge ; le jeu interne fait partie de la conception du roulement. Une vitesse élevée, une charge très légère, une direction de charge variable, des limites de bruit strictes et des exigences de rigidité élevées justifient l'ajout d'une précharge axiale. Lorsqu'une précharge est appliquée, un système à ressorts est la méthode la plus sûre, et la force de précharge doit être maintenue du côté conservateur, car une précharge excessive provoque de la chaleur, du bruit et une durée de vie réduite des roulements.

Examinez votre application par rapport aux conditions répertoriées dans le tableau 1. Si l'une d'entre elles s'applique, planifiez la précharge ainsi que la classe de jeu lorsque vous commandez les roulements. Si aucune de ces conditions ne s'applique, installez le roulement exactement comme il est conçu pour fonctionner, sans précharge.