Le rôle critique de la sélection de roulement dans l'automatisation

Le choix du type de roulement approprié influence directement l'efficacité, la précision et la durée de vie des systèmes d'automatisation industrielle. Les roulements réduisent les frottements entre les pièces mobiles et les charges de support, mais chaque tâche d'automatisation impose des exigences uniques. Un mauvais ajustement peut causer une chaleur excessive, une usure prématurée, des vibrations ou une défaillance catastrophique. L'ingénieur doit évaluer les caractéristiques de charge, les exigences de vitesse, l'exposition environnementale et les contraintes d'entretien pour sélectionner le roulement optimal pour chaque axe, joint ou assemblage rotatif.

Types de roulements fondamentaux pour l'automatisation

Les trois familles de roulements primaires, soit les roulements à billes, les roulements à rouleaux et les roulements simples, offrent chacune des enveloppes de performance distinctes.

Roulements à billes

Les roulements à billes utilisent des éléments de roulement sphériques entre les anneaux intérieurs et extérieurs. Leur contact point donne peu de frottement et permet des vitesses de rotation élevées, mais limite la capacité de charge par rapport aux roulements à rouleaux.

  • Roulements à billes à rainure profonde - le type le plus commun, la manutention des charges axiales radiales et modérées dans les deux sens. Idéal pour les moteurs électriques, les convoyeurs et les petits modules d'automatisation.
  • Roulements à billes de contact angulaires - conçus pour les charges radiales et axiales combinées. Souvent utilisés dans les assemblages de broches et les poignets robotiques où les charges de poussée sont directionnelles. Disponible en paires simples ou assorties.
  • Reportages à billes auto-alignés[ - tolèrent un mauvais alignement de l'arbre ou des déviations de l'enceinte mineures.

Tâches d'automatisation typiques : robots à grande vitesse, entraînements de courroies, étapes de positionnement de précision et arbres de pompe. La vitesse maximale dépasse 10 000 tr/min pour les petites tailles, mais la capacité de charge est modérée.

Roulements à rouleaux

Les roulements à rouleaux remplacent les cylindres, cônes ou barils pour les billes, ce qui permet d'augmenter la capacité de charge et la rigidité au détriment de la friction et de la vitesse plus faible.

  • Roulements à rouleaux cylindriques[ - capacité de charge radiale élevée avec faible frottement. Souvent utilisé dans les boîtes de vitesses, les ventilateurs industriels et les grands montages de moteurs.
  • Roulements à rouleaux sphériques - rouleaux en forme de barillet qui s'alignent automatiquement. Poignez de lourdes charges radiales et bidirectionnelles axiales, même en cas de désalignement.
  • Roulements à rouleaux taperés - Roules et pistes coniques. Supporter les charges radiales et les charges de poussée combinées avec une rigidité élevée.
  • Roulements à rouleaux de needle - rouleaux minces et longs, avec une grande capacité de charge pour un espace radial limité. Utilisés dans les boîtes de vitesses compactes, les followers de came et les guides de mouvement linéaires.

Applications d'automatisation : guides linéaires à charge lourde, tables d'indexation, entraînements de presse et joints rotatifs à haute torque. Les limites de vitesse sont inférieures aux roulements à billes, généralement inférieures à 3000 tr/min pour les plus grandes tailles.

Roulements simples

Les roulements simples (aussi appelés roulements à manches, douilles ou roulements à journaux) n'ont pas d'éléments de roulement. Au lieu de cela, une surface coulissante supporte l'arbre. Ils excellent dans les environnements à basse vitesse, à haute charge ou contaminés où les roulements à roulement pourraient échouer rapidement.

  • Poussières en polymère/plastique - autolubrifiantes, résistant à la corrosion et silencieux. Utilisé dans les convoyeurs d'emballage alimentaire, les actionneurs linéaires et les mécanismes d'appareils médicaux.
  • Douilles de bronzage ou de bimétallique[ - capacité de charge élevée avec lubrification de graisse. Trouvé dans des points de pivot lourds et des axes rotatifs à mouvement lent.
  • Les roulements hydrodynamiques[ - dépendent d'un coin de film d'huile généré par rotation de l'arbre. Commun dans les grandes broches et turbines, mais moins typique dans l'automatisation standard.

Tâches d'automatisation : indexer les platines avec des charges statiques élevées, des mécanismes de serrage et des joints oscillants à basse vitesse. L'entretien comprend souvent du graissage périodique, mais de nombreux types de polymères sont sans entretien.

Critères de sélection clés pour les roulements d'automatisation

Au-delà du type de roulement de base, six facteurs interdépendants déterminent l'aptitude d'un roulement à une tâche d'automatisation donnée.

Type et grandeur de charge

Déterminer si le roulement subira des charges radiales (perpendiculaires à l'arbre), des charges axiales (flust) ou une combinaison. Pour les charges radiales pures, les roulements cylindriques à rouleaux offrent la plus grande capacité. Pour les charges combinées, les roulements à billes à contact angulaire (haute vitesse) ou les roulements à rouleaux coniques (haute charge) sont appropriés. Les roulements à rouleaux sphériques gèrent les charges radiales et axiales avec auto-alignement. Calculer la charge dynamique équivalente P en utilisant les formules ISO ou ABMA standard pour les roulements de taille correctement.

Vitesse de rotation

Les limites de vitesse sont définies par la vitesse limite du roulement, la vitesse maximale de rotation avant que la production de chaleur et la rupture de lubrification ne deviennent critiques. Les roulements à billes supportent généralement des vitesses plus élevées que les roulements à rouleaux. Pour les vitesses supérieures à 10 000 tr/min, les roulements à billes hybrides en céramique (boules de nitrure de silicium avec anneaux en acier) réduisent la force centrifuge et la chaleur.

Conditions environnementales

Dans les environnements d'automatisation propre (par exemple, l'assemblage électronique), les roulements ouverts avec lubrification par brouillard d'huile suffisent. Dans des conditions sales ou humides, les roulements scellés ou blindés avec graisse sont préférés. Pour les atmosphères corrosives, utiliser des anneaux en acier inoxydable (AISI 440C) ou des éléments de laminage céramique.

Stiffness et précision

Les roulements à billes de contact angulaires dans les arrangements dos-à-face ou face-à-face préchargés pour éliminer la clairance fournissent une rigidité axiale et radiale élevée. Les roulements à rouleaux offrent intrinsèquement une rigidité plus élevée que les roulements à billes de taille équivalente. Les classes de tolérance (ABEC/ISO 5, 7 ou 9) définissent les niveaux de précision. Pour les applications ultraprécisions, il faut considérer les roulements hydrostatiques ou aérostatiques, bien qu'ils nécessitent des sources de pression externes.

Contraintes de montage et d'espace

Les roulements à rouleaux à aiguilles et les roulements à billes à section mince permettent d'économiser de l'espace radial. Les éléments à roulement d'insertion (blocs à rainure) simplifient le montage sur les cadres de convoyeur. Pour les applications à travers l'arbre, les boîtiers à bride ou les roulements à billes permettent une installation facile.

Besoins en matière de maintien et de vie

Les roulements étanches (avec boucliers en caoutchouc ou en métal) sont sans entretien et communs aux moteurs, aux petites têtes de transmission et aux joints robotiques. Ils ont une durée de vie finie déterminée par la dégradation de la graisse. Les roulements rélubrables permettent une reconstitution périodique de la graisse par des raccords, prolongeant la durée de vie dans des environnements lourds ou à forte teneur en contaminants. Pour les endroits inaccessibles, les roulements à billes simples autolubrifiants éliminent entièrement l'entretien. Calculer la durée de vie des roulements en utilisant l'équation L[10 pour s'assurer que la conception répond aux heures de fonctionnement requises.

Applicabilité des roulements spécifiques

Voici les systèmes d'automatisation communs et les types de roulements recommandés en fonction des exigences opérationnelles.

Systèmes de convoyeurs

Pour les arbres d'entraînement et les rouleaux à inertie, les roulements à billes à rainure profonde ou les roulements à rouleaux cylindriques sont standard. Les éléments à roulement d'insertion (blocs à rainure) simplifient le montage. Pour les convoyeurs à matériaux lourds, les roulements à rouleaux sphériques permettent de faire défiler et de mal aligner les arbres. Dans le traitement des aliments, les roulements à billes en polymères scellés résistent à la corrosion et au lavage. Exemple : un rouleau à convoyeur utilisant un roulement à insert UC209-28 avec deux vis de réglage permet un montage et un remplacement faciles.

Armes et poignets robotiques

Les roulements à billes de contact angulaires (couples appariés) sont populaires pour les axes d'épaule, de coude et de poignet. Pour les robots à charges lourdes, les roulements à rouleaux coniques offrent une rigidité supérieure. Les supports de sortie de disque harmonique utilisent souvent des roulements à rouleaux croisés pour les joints rotatifs compacts et à haute torque. La lubrification est généralement emballée en graisse et scellée pour la vie afin d'éviter l'entretien dans les joints difficiles à atteindre.

Boîtes de vitesses et réducteurs de vitesse

Les boîtes de vitesses subissent des charges radiales élevées du maillage des rapports et des charges axiales modérées des engrenages hélicaux ou biseaux. Les roulements à rouleaux cylindriques supportent l'arbre de pignon (radial), tandis que les roulements à rouleaux coniques manipulent l'arbre de sortie (charges combinées).

Épinules à grande vitesse

Les broches de machine-outil exigent une vitesse ultra-haute (10 000 à 50 000 tr/min) avec une faible vibration et un positionnement axial exact. Les roulements à billes de contact angulaires avec billes céramiques et précharge légère sont standard. La lubrification à l'air d'huile fournit une brouillard d'huile précise à chaque roulement. Pour les vitesses les plus élevées (par exemple, 80 000 tr/min dans les forets PCB), des roulements de contact angulaires hybrides avec un alésage de 12 mm et un angle de contact de 15° sont utilisés.

Axes linéaires

Les guides linéaires à billes offrent une faible friction et une grande vitesse, adaptés aux portiques à pick-and-place. Les guides linéaires à rouleaux offrent une capacité de charge et une rigidité plus élevées pour les axes d'usinage lourds. Pour les vis à billes, les roulements angulaires à contact à l'extrémité fixe supportent les charges axiales; les roulements à billes à rainure profonde à l'extrémité libre permettent des charges radiales et une expansion thermique.

Étapes de positionnement et d'indexation

Les roulements à rouleaux croisés (rouleaux cylindriques à fente disposés à angle droit) assurent une rigidité élevée et une rotation lisse dans un emballage compact. Les roulements à air offrent une friction zéro pour le nanopositionnement, mais nécessitent un air comprimé propre et des environnements filtrés. Pour une moindre précision, les roulements à rouleaux à aiguille combinés avec des roulements à billes à rainure profonde peuvent être rentables.

Stratégies de lubrification pour les roulements d'automatisation

La lubrification adéquate est critique à la durée de vie du roulement. Les deux principales catégories sont la graisse et l'huile, chacune avec des sous-types.

Lubrification de la graisse

La graisse est le choix le plus courant pour les roulements d'automatisation car elle reste en place, assure l'étanchéité et simplifie la maintenance. Sélectionnez une graisse avec la consistance NLGI correcte (généralement 2 pour les roulements) et la viscosité de l'huile de base (ISO VG 32–100). Pour les broches à grande vitesse, des graisses à faible saignée avec de l'huile synthétique (PAO ou ester) sont nécessaires.

Lubrification des huiles

L'huile est favorisée pour des vitesses très élevées, des températures élevées, ou quand l'élimination de la chaleur est nécessaire. Les systèmes de bain d'huile, de circulation d'huile et d'air d'huile sont courants. Dans les machines automatisées, la lubrification huile-air fournit des gouttelettes d'huile précisément mesurées à chaque roulement par des buses, minimisant les frottements et maximisant la vitesse.

Conceptions scellées et sans entretien

De nombreux roulements d'automatisation sont fournis avec des boucliers (sans contact) ou des joints (contact). Les roulements blindés (ZZ) permettent une faible friction mais offrent une protection minimale contre la contamination. Les roulements scellés (2RS ou LLU) avec des joints en caoutchouc nitrique excluent la poussière et l'humidité, idéales pour les environnements propres ou les environnements de lavage.

Modes d'échec et prévention courants

Comprendre comment les roulements échouent aide les ingénieurs à sélectionner le bon type et les bons calendriers de maintenance de conception.

  • Écaillage de la fatigue[ - éclaboussures de matériaux sur les pistes en raison de contraintes cycliques. Prévient par une bonne capacité de charge et une lubrification appropriée. Vérifiez que la durée de vie calculée de L10 dépasse la durée de vie requise de la machine.
  • L'usure abrasive[ - causée par des contaminants entrant dans le roulement. Les roulements scellés, les joints d'étanchéité appropriés et la lubrification filtrée l'atténuer.
  • Brincellage - indentations sur les pistes de charge de choc ou de montage incorrect. Évitez de marteler les roulements sur les arbres; utilisez des méthodes de montage hydraulique ou thermique.
  • Corrosion - se produit dans des environnements humides ou chimiques. Sélectionnez des roulements en acier inoxydable, en céramique ou enduits. Appliquer des lubrifiants antirouille si de longs arrêts sont attendus.
  • Mise en alignement[ - une répartition inégale des charges accélère l'usure. Utilisez des roulements à billes auto-alignement ou des roulements à rouleaux sphériques lorsque la déformation de l'arbre ou le mauvais alignement du boîtier est inévitable.
  • Feur de lubrification - surchauffe et défaillance rapide. Mettre en place des systèmes de relubrification automatisés ou utiliser la surveillance de l'état (vibration, température) pour détecter les signes précoces de dégradation du lubrifiant.

L'analyse régulière des vibrations (ISO 10816) et l'analyse de l'huile sont des techniques efficaces de surveillance de l'état. Une stratégie de maintenance proactive peut réduire les temps d'arrêt non programmés de jusqu'à 70%.

Conclusion

Les roulements à billes servent à des applications de vitesse et de charge modérées; les roulements à rouleaux traitent des charges plus lourdes et des vitesses plus basses; les roulements simples excellent dans des conditions difficiles ou à basse vitesse. Les recommandations spécifiques à l'application – comme les roulements à billes de contact angulaires pour poignets robotisés, les roulements à rouleaux sphériques pour convoyeurs ou les roulements à rouleaux croisés pour les étapes d'indexation – fournissent un point de départ fiable. En combinant une sélection appropriée avec une surveillance correcte de lubrification et de l'état, les ingénieurs peuvent obtenir une fiabilité maximale du système, minimiser les temps d'arrêt et prolonger la durée de vie de l'équipement.

Références:
Guide de sélection des roulements de SKF
Outil de sélection des roulements de NSK
Guide de poche technique de Schaeffler
ISO 281:2007 Roulements à roulement - Évaluations dynamiques des charges]