Dans cet article, nous parlerons des roulements céramiques pour réduire la friction et des 6 choses à savoir : roulements céramiques haute vitesse, roulements céramiques haute température – dans tous les cas, il est possible de les appliquer pour maximiser les résultats de vos machines.
Dans certaines applications, il est important de chercher à maximiser le rendement des transmissions mécaniques. Une source importante de dispersion d’énergie est représentée par les roulements en raison de la friction à l’intérieur. Chercher donc à réduire la friction au minimum possible est l’une des priorités dans ces contextes.
Dans cet article, nous analyserons les 6 causes de friction à l’intérieur d’un roulement, ce qu’il faut faire pour les réduire, et nous présenterons une solution innovante qui permet de surmonter très efficacement les limites des roulements en acier et d’obtenir un niveau minimal de dispersion d’énergie inimaginable pour les roulements standards : les roulements entièrement céramiques.
Les roulements à roulement sont des composants mécaniques dont le but est de guider et de supporter un mouvement rotatif. Dans l’exercice de cette fonction, une partie de l’énergie nécessaire pour maintenir le mouvement rotatif, aussi petite soit-elle, est dissipée en raison de la friction qui se crée dans le roulement. Dans une optique d’augmentation du rendement de la transmission, il est nécessaire de réduire au maximum la friction interne du roulement.
Cause principales de friction
Examinons d’abord quelles sont les causes de cette friction, c’est-à-dire où il est possible d’agir pour réduire l’énergie dissipée par le roulement.
Les principales causes de friction dans un roulement, par ordre d’importance et d’influence, sont:
- Caractéristiques de la lubrification : type et quantité de lubrifiant
- Friction causée par les joints
- Jeu du roulement
- Classe de précision du roulement
- Rugosité des pistes de roulement et des corps roulants
- Dureté des pistes de roulement et des corps roulants
Analysons-les en détail :
1. Lubrification
L’objectif de la lubrification est de créer un film entre le corps roulant et la piste de roulement qui évite leur contact direct et permet de dissiper la chaleur générée à la surface de contact. Pour que ces actions puissent s’exercer, il est nécessaire que le lubrifiant ait une viscosité adéquate afin de supporter la charge agissant sur le roulement et que celle-ci se maintienne dans la plage de température d’utilisation du roulement. Une viscosité trop élevée, cependant, si elle peut être une garantie en termes de résistance à la charge, peut représenter un obstacle au mouvement du corps roulant, augmentant ainsi la friction du roulement et, par conséquent, l’énergie dissipée.
De même, la quantité de lubrifiant insérée dans le roulement peut jouer un rôle important. En effet, même si la viscosité du lubrifiant est adaptée aux conditions de charge du roulement, une quantité trop faible ne permet pas de créer l’épaisseur de film appropriée. Cependant, si la quantité de lubrifiant est trop élevée, cela crée un obstacle au roulement, augmentant la friction et l’énergie dissipée.
Par conséquent, pour minimiser la friction, il est nécessaire :
- Choisir soigneusement le degré de viscosité du lubrifiant qui dépend de la charge agissant sur le roulement, de la vitesse de rotation et de la température de travail : si la viscosité est trop faible, un film lubrifiant adéquat ne se forme pas entre le corps roulant et la piste ; si elle est trop élevée, la friction augmente considérablement.
- Choisir la quantité de lubrifiant à insérer dans le roulement ; là encore, trop peu n’autorise pas la formation d’un film lubrifiant approprié et trop augmente la friction.
Il faut considérer que l’utilisation de lubrifiants spéciaux ou la variation de la quantité de lubrifiant normalement insérée dans les roulements fait que le roulement devient « spécial », avec une augmentation possible des coûts et des difficultés d’approvisionnement.
2. Joints d’étanchéité
Les joints utilisés dans les roulements ont deux objectifs fondamentaux : maintenir le lubrifiant à l’intérieur du roulement et protéger le roulement de l’entrée de matériaux étrangers qui pourraient compromettre non seulement le fonctionnement du roulement mais aussi celui du lubrifiant. Du point de vue de la friction, les joints qui contribuent à l’augmenter sont du type à contact glissant, c’est-à-dire les RS, car ils ont un lèvre d’étanchéité qui frotte contre l’anneau du roulement.
Afin de réduire au minimum la friction, il faut évaluer attentivement s’il est nécessaire d’utiliser des joints de type RS ou si les joints non à contact glissant (Z) peuvent suffire. Il est également possible de soigner particulièrement la surface de contact entre l’anneau du roulement et le joint pour réduire la friction. Cette solution, cependant, pourrait ne pas être standard pour les roulements et donc entraîner une augmentation des coûts et des difficultés d’approvisionnement.
3. Jeu du roulement
La réduction du jeu du roulement augmente le nombre d’éléments roulants en contact avec la piste de roulement, augmentant ainsi la friction et la dissipation d’énergie.
Afin de réduire la friction, il convient donc de choisir le jeu le plus large possible, compatible avec les conditions d’utilisation du roulement.
4. Classe de précision du roulement
Lors de la fabrication des anneaux des roulements, des erreurs de forme sont introduites qui éloignent les surfaces des pistes de roulement de la forme théorique. Ces écarts produisent des contacts irréguliers avec les éléments roulants, causant une augmentation de la friction dans le roulement du roulement.
Pour réduire la friction, il serait nécessaire de choisir des roulements avec la précision la plus élevée possible. Ces roulements, cependant, peuvent avoir des coûts élevés et des difficultés d’approvisionnement. Étant donné que le poids de la précision sur le total de la friction est faible, il peut ne pas être nécessaire d’utiliser des classes de précision non standard.
5. Rugosité des pistes de roulement et des corps roulants
Puisque dans le roulement des corps roulants du roulement sur les pistes existe également une composante de glissement, la rugosité des deux surfaces joue un rôle important. En effet, plus la rugosité est élevée, plus la friction le sera.
Sur ce paramètre, il est difficile d’intervenir, dans le sens où il n’est pas possible de demander aux fabricants de roulements d’adopter une valeur de rugosité différente de la norme sans accepter que le roulement devienne un « spécial ». Il est possible d’utiliser des roulements super-précis qui, à une rugosité des pistes plus faible que celle des roulements normaux, ajoutent une classe de précision élevée. Ce sont des roulements coûteux et qui ne sont pas disponibles dans toutes les formes constructives.
6. Dureté des pistes de roulement et des corps roulants
La composante de glissement mentionnée précédemment dépend de l’extension de la surface de contact entre le corps roulant et la piste. Plus la surface est grande, plus le glissement sera important. La dimension de la surface de contact dépend de la dureté du matériau avec lequel sont réalisés les anneaux et les corps roulants du roulement. Plus le matériau est dur, plus la surface est petite et plus faible est la friction.
Dans ce cas également, ce paramètre n’est pas « réglable ». Le degré de dureté des pistes et des éléments roulants dépend du processus de trempe auquel sont soumis les aciers.
Le choix des caractéristiques d’un roulement pour réduire au minimum la dissipation d’énergie nécessite d’évaluer les points mentionnés ci-dessus et il n’est pas toujours facile, ni possible, de trouver la solution.
Aujourd’hui, cependant, existe une solution innovante qui répond à la recherche du minimum de friction : les roulements entièrement céramiques.
Caractéristiques optimales des roulements céramiques
Voici les caractéristiques de ces roulements par rapport aux points mentionnés ci-dessus et les raisons pour lesquelles ils peuvent être la solution optimale :
1. Lubrification
Les matériaux céramiques utilisés pour ces roulements (Oxyde de Zirconium ZrO₂ et Nitrure de Silicium Si₃N₄) ne nécessitent pas une lubrification minutieuse (ni en termes de type de lubrifiant ni de quantité), contrairement aux roulements en acier. Les roulements entièrement céramiques peuvent même fonctionner sans lubrification. Avec ce type de roulements, il est donc possible d’utiliser, si nécessaire, une quantité minimale de lubrifiant tout en maintenant une friction très faible.
2. Joints d’étanchéité
Puisque les roulements entièrement céramiques peuvent fonctionner sans lubrification, il n’est pas nécessaire de les protéger avec des joints à contact glissant. Cela permet de réduire considérablement la friction.
3. Jeu du roulement
Pour le jeu du roulement, les mêmes considérations que celles mentionnées au point 3 s’appliquent.
4. Classe de précision du roulement
Concernant la classe de précision, les mêmes considérations que pour les roulements en acier s’appliquent aux roulements entièrement céramiques.
5. Rugosité des pistes de roulement et des corps roulants
Grâce aux caractéristiques des matériaux céramiques, la rugosité obtenue sur les pistes et les corps roulants est généralement plus faible que celle des roulements en acier. Cela entraîne une réduction de la friction.
6. Dureté des pistes de roulement et des corps roulants
Les matériaux céramiques sont beaucoup plus durs que l’acier trempé pour roulements. Il s’ensuit que la surface de contact entre le corps roulant et la piste de roulement est plus petite, donc le glissement et finalement la friction sont réduits.
En conclusion, les roulements entièrement céramiques, grâce à leurs caractéristiques, peuvent être la solution optimale pour toutes ces conditions où il est absolument nécessaire de réduire au minimum la dissipation d’énergie et donc d’augmenter le rendement de la transmission mécanique.
