Précharge dans les montages de roulements à billes à contact oblique ou roulements à rouleaux coniques

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. L’effort axial produit dans le roulement peut être déterminé par les formules suivantes :
  • pour les roulements à billes à contact oblique à une rangée
    Fa = R Fr
  • pour les roulements à rouleaux coniques à une rangée
    Fa = 0,5 Fr / Y

avec
Fa=charge axiale (fig. 1)
Fr=charge radiale (fig. 1)

=variable pour les conditions de contact à l'intérieur (→ Determination of axial forces)

=coefficient de calcul ( product table)

Lorsqu'un roulement isolé est soumis à une charge radiale Fr, une charge axiale Fa (externe) de la même intensité que la charge induite doit être appliquée au roulement si l'on veut exploiter toute la capacité de charge nominale. Si la charge externe appliquée est plus légère, 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 contact oblique à une rangée ou deux roulements à rouleaux coniques disposés en O ou en X, chaque roulement reprend la charge axiale et/ou la charge axiale induite de l'autre. Lorsque ces montages de roulements sont réglés sur un jeu proche de zéro, la charge radiale est répartie de manière égale entre les deux roulements et la moitié des éléments roulants de chaque roulement sont chargés.
Dans les 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 axialement chargé. La précharge répartit également les charges de manière plus favorable dans un roulement déchargé axialement.
La précharge accroît aussi la rigidité du montage. Cependant, n'oubliez pas que la rigidité est également influencée par la déformation élastique des roulements mais aussi par l’élasticité de l’arbre et du logement, 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 (fig. 2 et fig. 3) comprend généralement deux roulements à rouleaux coniques A et B de taille différente ayant des constantes d'élasticité cA et cB différentes. Les deux sont soumis à une force de précharge F0. Si une force axiale Ka agit sur le roulement A, le roulement B est déchargé et la charge additionnelle qui agit sur le roulement A entraîne un déplacement axial δa plus faible que pour montage non préchargé. Cependant, 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 cA, si la force axiale externe dépasse la valeur



Pour empêcher le roulement B d'être déchargé lorsque le roulement A est soumis à une force axiale Ka, la force de précharge suivante est requise



Les forces et déplacements élastiques dans un montage préchargé, ainsi que les effets d'une variation de la précharge, sont facilement mis en évidence par un diagramme effort de précharge/déplacement axial (diagramme 2). Celui-ci, constitué de courbes d’élasticité des composants qui sont montés en opposition avec précharge, permet de faire apparaître les relations suivantes :
  • la relation entre la force de précharge et le déplacement axial dans le montage préchargé
  • la relation entre une force axiale extérieure Ka et la charge sur roulement dans un montage préchargé, ainsi que la déformation élastique produite par une force extérieure
Dans le diagramme 2, tous les composants soumis à des charges externes en 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 les roulements tandis que les lignes continues s’appliquent à tout l’ensemble du roulement (roulement avec éléments associés).
En utilisant le diagramme 2, il est possible d'expliciter les relations ci-dessus, par exemple pour le montage d'un pignon d'attaque (fig. 2), où le roulement A et le roulement B sont montés en opposition avec précharge via l'arbre et le palier. La force axiale extérieure Ka (composante axiale des efforts à 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 sur le roulement A est appelée FaA et celle sur le roulement B FaB. Sous l'influence de la force axiale 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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