Détermination de la précharge

La précharge peut être exprimée comme un effort ou comme une distance, mais l'effort est la spécification première. En fonction de la méthode de réglage, la précharge est aussi reliée indirectement au moment de frottement dans le roulement.
Des valeurs empiriques pour le niveau optimal de la précharge peuvent être obtenues à partir de montages éprouvés, et appliquées à des conceptions similaires. Pour les nouveaux montages, SKF recommande de calculer la précharge et de contrôler sa fiabilité par des essais. Comme, en général, tous les facteurs influençant le fonctionnement réel ne sont pas connus de façon précise, des corrections peuvent être nécessaires en pratique. La fiabilité du calcul dépend surtout du degré de concordance entre les conditions réelles et les hypothèses faites sur les conditions de température en fonctionnement et sur le comportement élastique des éléments associés, en premier lieu le palier.
Lorsque l'on détermine la précharge, on calcule d'abord la valeur requise pour obtenir une combinaison optimale de rigidité, de durée du roulement et de fiabilité en service. Puis l'on calcule la précharge à utiliser lors du réglage des roulements au montage. Lors du montage, les roulements doivent être maintenus à température ambiante et ne doivent pas être soumis à une charge de fonctionnement.
À une température de service normale, la précharge appropriée dépend de la charge appliquée au roulement. Un roulement à billes à contact oblique ou un roulement à rouleaux coniques peut admettre simultanément des charges radiales et axiales. Toute charge radiale donne naissance à une poussée axiale induite qui est généralement reprise par un second roulement orienté en sens inverse du premier. Le déplacement purement radial d'une bague par rapport à l'autre signifiera que la moitié de la circonférence du roulement (c'est-à-dire la moitié des éléments roulants) est chargée, et l'effort axial produit dans le roulement sera

Fa = 0,5 Fr/Y

où Fr est la charge radiale (fig. 1)

Les valeurs du facteur axial Y sont indiquées dans les tableaux des produits.
Pour un roulement isolé soumis à une charge radiale Fr, une force axiale extérieure Fa de l'intensité ci-dessus doit être appliquée pour répondre à la condition préalable des charges de base (la moitié de la circonférence du roulement chargée). Si la force extérieure appliquée est plus faible, le nombre d'éléments roulants supportant la charge sera moindre et la capacité de charge du roulement sera réduite de façon proportionnelle.
Dans un montage comprenant deux roulements à billes à contact oblique à une rangée ou deux roulements à rouleaux coniques disposés en O ou en X, chaque roulement reprend les efforts axiaux de l'autre. Si les deux roulements sont les mêmes, la charge radiale est centrée entre les roulements, et le montage est réglé de façon à présenter un jeu nul, la répartition de charge s'effectuant automatiquement lorsque la moitié des éléments roulants sont chargés. Dans d'autres conditions de charge, en particulier en cas de charge axiale extérieure, il peut être nécessaire de précharger les roulements pour compenser le jeu qui résulte de la déformation élastique du roulement en prenant en compte la charge axiale et pour obtenir une répartition de charge plus favorable dans l'autre roulement, déchargé axialement.
La précharge accroît aussi la rigidité du montage de roulements. Lorsque l'on considère la rigidité, il faut se souvenir qu'elle n'est pas seulement influencée par la déformation élastique des roulements mais aussi par l'élasticité de l'arbre et du palier, par les ajustements des bagues et par la déformation élastique de tous les autres composants du champ de force, en particulier les appuis. Ceux-ci contribuent tous de façon importante à la déformation élastique de l'ensemble du mécanisme de l'arbre. La déformation élastique axiale et radiale d'un roulement dépend de sa conception interne, c'est-à-dire des conditions de contact (contact ponctuel ou linéaire), du nombre et du diamètre des éléments roulants et de l'angle de contact ; plus l'angle de contact est grand, plus le roulement est rigide axialement.
Si, en première approximation, on admet que la déformation élastique est une fonction linéaire de la charge, c'est-à-dire que le rapport d'élasticité est constant, une comparaison montre que le déplacement axial dans un montage préchargé est plus faible que dans un montage sans précharge pour le même effort axial extérieur Ka (diagramme 1). Un montage de pignon d'attaque, par exemple, comprend deux roulements à rouleaux coniques A et B de taille différente ayant des constantes d'élasticité cA et cB. Ce montage est soumis à une précharge F0. Si la force axiale Ka agit sur le roulement A, le roulement B sera déchargé et la charge additionnelle agissant sur le roulement A et le déplacement axial δa seront plus faibles que pour un montage sans précharge. Cependant, si l'effort axial extérieur
dépasse la valeur

Ka = F0 [1 + (cA/cB)]

alors le roulement B sera libéré de la précharge axiale et le déplacement axial sous charge additionnelle se fera comme dans le cas d'un montage sans précharge, c'est-à-dire qu'il sera déterminé uniquement par la constante d'élasticité du roulement A. Pour éviter que le roulement B ne soit complètement déchargé lorsque le roulement A est soumis à la charge Ka, la précharge suivante sera alors nécessaire :

F0= Ka cB/(cA + cB)
Les forces et déplacements élastiques dans un montage préchargé, ainsi que les effets d'une variation de la précharge, sont mis en évidence de la façon la plus simple par un diagramme effort de précharge/distance de précharge (diagramme 2). Celui-ci est constitué de courbes d'élasticité des composants qui sont montés en opposition avec précharge et permet de faire apparaître les relations suivantes :
  • relation entre effort et distance de précharge dans le montage préchargé,
  • relation entre une force axiale extérieure Ka et la charge sur roulement dans un montage préchargé, ainsi que la déformation élastique produite par la force extérieure.
Dans le diagramme 3, tous les composants soumis à des charges additionnelles par les efforts de fonctionnement sont représentés par les courbes qui s'élèvent de gauche à droite et tous les composants déchargés, par les courbes qui s'élèvent de droite à gauche. Les courbes 1, 2 et 3 se rapportent à différentes précharges (F01, F02 < F01 et F03 = 0). Les lignes en pointillés sont valables pour le roulement lui-même tandis que les lignes continues s'appliquent à tout l'emplacement de roulement (roulement avec les éléments associés).
D'après le diagramme 4, il est possible d'expliciter les relations ci-dessus, par exemple pour un montage de pignon d'attaque (fig. 2) où le roulement A et le roulement B sont montés en opposition avec une précharge via l'arbre et le palier. La force axiale extérieure Ka (composante axiale des efforts de la denture) se superpose à la précharge F01 (courbe 1) de telle façon que le roulement A est soumis à une charge additionnelle tandis que le roulement B est déchargé. La charge à l'emplacement de roulement A est désignée par FaA, celle à l'emplacement de roulement B par FaB.
Sous l'influence de la force Ka, l'arbre du pignon subit un déplacement axial δa1. La précharge plus faible F02 (courbe 2) a été choisie de façon que le roulement B soit juste déchargé par la force axiale Ka, c'est-à-dire FaB = 0 et FaA = Ka. L'arbre du pignon subit dans ce cas un déplacement δa2 > δa1. Lorsque le montage n'est pas préchargé (courbe 3), le déplacement axial de l'arbre du pignon est maximal (δa3 > δa2).
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