À sélectionner le bon roulement pour un réducteur de vitesse , vous devez adapter le type et la taille du roulement aux charges radiales et axiales spécifiques, aux vitesses de fonctionnement, à la durée de vie en fatigue L10 requise et aux contraintes géométriques de l'arbre et du boîtier, tout en garantissant également la compatibilité avec le lubrifiant et l'environnement thermique à l'intérieur de la boîte de vitesses. Le processus commence par une analyse approfondie des charges de chaque arbre (entrée, intermédiaire et sortie) car les engrenages hélicoïdaux, droits ou coniques génèrent des forces de réaction qui se traduisent directement en charges radiales et de poussée sur les roulements. Selon la norme 6011 de l'American Gear Manufacturers Association (AGMA) relative aux entraînements à engrenages sous boîtier, les roulements doivent être sélectionnés pour atteindre une durée de vie L10 d'au moins 25 000 heures pour le service industriel général et jusqu'à 100 000 heures pour les applications critiques de processus continus . Compréhension comment sélectionner le bon roulement pour un réducteur à engrenages est une tâche d'ingénierie en plusieurs étapes qui intègre des calculs de charges mécaniques, des équations de durée de vie des roulements de la norme ISO 281, une analyse de l'épaisseur du film lubrifiant et des considérations pratiques de montage, de jeu et d'étanchéité.
1. Analyser les forces des engrenages pour déterminer les charges des roulements
La première étape dans la sélection du bon roulement consiste à calculer les forces de réaction radiales et axiales à chaque position du roulement, qui sont produites par les composantes tangentielles, de séparation et de poussée des forces d'engrenage. Dans un réducteur à engrenages hélicoïdaux, le contact des dents d'engrenage génère une force tangentielle qui transmet le couple, une force de séparation radiale qui écarte les engrenages et une force de poussée axiale le long de l'arbre en raison de l'angle d'hélice. L'ampleur de ces forces dépend de la puissance transmise et de la géométrie des engrenages. Pour un engrenage droit, il n'y a pas de poussée axiale, mais des engrenages hélicoïdaux avec un angle d'hélice de 15 à 30 degrés produire une charge axiale qui peut égaler 25% à 50% de la force tangentielle . En utilisant le diamètre de l'arbre, le cercle primitif de l'engrenage et les distances de portée des roulements, ces forces de maillage sont résolues en forces de réaction radiales et axiales à chaque emplacement de roulement via des équations d'équilibre statique. Pour une boîte de vitesses hélicoïdale à simple réduction typique avec le pignon en porte-à-faux sur l'arbre d'entrée, les roulements de l'arbre d'entrée subissent à la fois une charge radiale élevée due aux forces d'engrenage et une charge axiale importante qui doit être supportée par un roulement capable de supporter une charge combinée. Sur l'arbre de sortie, les charges sont souvent dominées par la traction de la courroie externe ou de l'accouplement, ce qui ajoute une charge radiale radiale que le roulement doit supporter. Les charges calculées qui en résultent, exprimées en newtons ou en livres-force, deviennent les principales données d'entrée pour le processus de sélection des roulements. Quand tu sélectionner le bon roulement pour un gear reducer , ces valeurs de charge doivent tenir compte de tout choc ou surcharge momentanée en appliquant un facteur de service, généralement 1,2 à 2,0 en fonction des caractéristiques de la machine entraînée telles que définies dans la norme AGMA 6011.
2. Choisissez le type de roulement approprié en fonction de la direction et de la vitesse de la charge
Le type de roulement doit être adapté aux conditions de charge spécifiques à chaque position de l'arbre : les roulements à billes à gorge profonde conviennent aux charges radiales modérées et axiales légères, les roulements à rouleaux cylindriques supportent de lourdes charges radiales sans poussée axiale, et les roulements à rouleaux coniques ou les roulements à billes à contact oblique sont nécessaires lorsque des charges radiales et axiales combinées importantes sont présentes. Dans un réducteur à engrenages, l'arbre d'entrée tourne souvent à la vitesse la plus élevée, généralement 1 750 ou 3 500 tr/min lorsqu'il est entraîné par un moteur électrique, le roulement doit donc être conçu pour cette vitesse sans génération de chaleur excessive. Les roulements à billes ont généralement une capacité de vitesse plus élevée que les roulements à rouleaux de même taille d'alésage. Sur l'arbre de sortie, les vitesses sont plus faibles mais les couples et les charges radiales sont plus élevés, favorisant les roulements à rouleaux. Le tableau ci-dessous résume les types de roulements les plus couramment utilisés dans les réducteurs à engrenages et leurs critères de sélection.
| Type de roulement | Capacité de charge | Capacité de charge axiale | Capacité de vitesse | Position typique du réducteur à engrenages |
|---|---|---|---|---|
| Roulement à billes à gorge profonde | Radial modéré ; axial faible à modéré | Bidirectionnel, jusqu'à 70 % de la puissance radiale | Très élevé | Arbre d'entrée, où la vitesse est élevée et la charge axiale est légère |
| Roulement à rouleaux cylindriques | Très élevé radial; no axial | Aucun (sauf modèles NJ/HJ avec bague de positionnement) | Élevé | Arbre de sortie où les charges radiales dominent et la poussée est prise ailleurs |
| Roulement à rouleaux coniques | Élevé radial; high axial in one direction | Direction unique ; jumelé pour une poussée bidirectionnelle | Modéré | Arbres de sortie et intermédiaires avec charges combinées |
| Roulement à billes à contact oblique | Modéré radial; high axial in one direction | Direction unique ; jumelé pour bidirectionnel | Très élevé | Élevé-speed input shafts with significant axial thrust |
3. Calculez la charge dynamique requise et la durée de vie en fatigue L10
Une fois que les charges des roulements sont connues, l'étape suivante consiste à calculer la charge dynamique de base requise à l'aide de l'équation de durée de vie ISO 281, garantissant que le roulement survivra au nombre d'heures de fonctionnement souhaité avant l'apparition des premiers signes de fatigue des matériaux souterrains. La durée de vie du L10, exprimée en millions de tours ou d'heures, est la durée de vie qui 90% d'une population de roulements identiques sera atteint ou dépassé sous une charge et une vitesse données. La formule ISO 281 pour les roulements à billes est L10 = (C/P)³, et pour les roulements à rouleaux, elle est L10 = (C/P)^(10/3), où C est la charge dynamique de base du roulement et P est la charge dynamique équivalente du roulement. P est calculé à partir des charges radiales et axiales à l'aide des facteurs X et Y qui dépendent du type de roulement et du rapport entre la charge axiale et la charge radiale. À sélectionner le bon roulement pour un gear reducer , vous calculez d'abord la charge dynamique de base requise C_req = P × (L10_req)^(1/p) où p est 3 pour la bille et 10/3 pour le rouleau. Choisissez ensuite un roulement dans le catalogue avec une charge dynamique C égale ou supérieure à C_req. Pour un réducteur fonctionnant à 1 750 tr/min et nécessitant une durée de vie L10 de 25 000 heures, le L10 en millions de tours est de 1 750 × 60 × 25 000 / 1 000 000 = 2,625 millions de tours . Le rapport C/P requis est alors (2 625)^(1/3) = environ 13.8 pour un roulement à billes. Si la charge équivalente calculée P est de 2 000 N, la charge dynamique requise est de 2 000 × 13,8 = 27 600 N . Le roulement sélectionné doit avoir une valeur C dans le catalogue supérieure à ce nombre. Selon les données techniques des fabricants de roulements, les roulements à billes à gorge profonde standard des séries 62 et 63 fournissent généralement des charges dynamiques allant de 10 000 à 100 000N , couvrant une large gamme d'applications de réducteurs industriels.
4. Vérifiez la capacité de charge statique et le facteur de sécurité
La capacité de charge statique du roulement doit également être vérifiée pour garantir que la charge maximale maximale, comme lors du démarrage, d'un blocage momentané ou d'une charge de choc, ne provoque pas de déformation permanente des éléments roulants ou des chemins de roulement. La charge statique de base C0 est définie dans la norme ISO 76 comme la charge qui produit une contrainte de contact calculée de 4 200 MPa pour roulements à billes et 4 000 MPa pour les roulements à rouleaux au contact de l'élément roulant le plus chargé. Le facteur de sécurité statique S0 = C0 / P0, où P0 est la charge statique équivalente sur les roulements, doit être d'au moins 2 pour un fonctionnement fluide et 3 ou plus pour les applications soumises à des chocs . Dans un réducteur entraînant un concasseur ou un convoyeur fortement chargé, le couple maximal lors d'un bourrage peut être plusieurs fois le couple nominal. Sans capacité statique adéquate, les chemins de roulement peuvent s'effondrer sous un seul événement de surcharge, créant du bruit et des vibrations qui conduisent à une rupture rapide par fatigue. Quand tu sélectionner le bon roulement pour un gear reducer , le contrôle statique est tout aussi important que le calcul de fatigue, en particulier pour les roulements de l'arbre de sortie qui subissent des couples élevés et des surcharges potentielles.
5. Tenez compte de la lubrification, de l’étanchéité et de la dilatation thermique
La sélection du roulement doit tenir compte de la méthode de lubrification à l'intérieur du réducteur à engrenages (qu'il soit lubrifié par barbotage avec de l'huile pour engrenages ou emballé avec de la graisse dans une chambre scellée) et doit garantir que la vitesse nominale du roulement est adaptée à la viscosité du lubrifiant à la température de fonctionnement. Dans une boîte de vitesses lubrifiée par barbotage, l'huile pour engrenages est généralement une huile minérale ISO VG 150 à VG 460 avec des additifs extrême pression. La vitesse limite du roulement, indiquée dans le catalogue de lubrification à l'huile et à la graisse, doit être déclassée si la viscosité réelle de l'huile est supérieure à la viscosité de référence. La température de fonctionnement à l'intérieur d'un réducteur peut atteindre 80°C à 100°C (176°F à 212°F) , ce qui réduit la viscosité de l'huile et l'épaisseur du film lubrifiant. Le rapport kappa (le rapport entre la viscosité réelle du lubrifiant et la viscosité minimale requise pour une formation adéquate du film) doit être d'au moins 2 à 4 pour un fonctionnement fiable. Si le kappa calculé est inférieur à 1, des conditions limites de lubrification existent et la durée de vie du roulement doit être réduite à l'aide du facteur a23 de la norme ISO 281, ce qui peut réduire la durée de vie L10 calculée de 50 % ou plus. Les joints de roulement, qu'il s'agisse de joints à lèvres en caoutchouc intégrés ou de joints à labyrinthe externes, doivent être sélectionnés pour retenir l'huile d'engrenage à l'intérieur du carter et exclure les contaminants. Un roulement avec joints de contact intégrés convient à l'arbre d'entrée de la boîte de vitesses, là où l'arbre pénètre dans le boîtier, empêchant ainsi les fuites d'huile à cette interface critique.
6. Déterminer le jeu interne du roulement et la disposition de montage
Le jeu radial interne du roulement doit être sélectionné en fonction des ajustements de la bague intérieure sur l'arbre et de la bague extérieure dans le boîtier, de la différence de température entre les bagues intérieure et extérieure pendant le fonctionnement et de la nécessité de s'adapter à la dilatation thermique axiale de l'arbre. Dans un réducteur à engrenages, l'arbre chauffe généralement plus que le boîtier car la chaleur est évacuée des engrenages le long de l'arbre. Une différence de température de 10°C à 20°C entre les bagues intérieure et extérieure réduit le jeu interne de plusieurs microns. Si le jeu initial est trop petit, le roulement sera préchargé et surchauffera. Les classes de dégagement standard sont C2 (inférieur à la normale), CN (normal), C3 (supérieur à la normale) et C4. Pour les applications de réducteurs à engrenages, le jeu C3 est généralement spécifié car il s'adapte à l'ajustement serré de la bague intérieure sur l'arbre et à la dilatation thermique. La disposition de montage doit également être prise en compte : un roulement sur chaque arbre doit être le roulement fixe qui fixe l'arbre axialement, tandis que l'autre doit être un roulement libre qui permet à l'arbre de se dilater et de se contracter librement. Un roulement à billes à gorge profonde avec une rainure pour circlip ou un roulement à rouleaux cylindriques avec une bague intérieure séparable peut servir de roulement libre. Les roulements à rouleaux coniques montés dans une disposition opposée offrent naturellement un emplacement radial et axial avec un jeu ou une précharge réglable, ce qui est avantageux pour la précision de l'engrènement des engrenages mais nécessite un réglage minutieux du jeu final lors de l'assemblage.
Questions fréquemment posées sur la sélection des roulements de réducteur à engrenages
Comment calculer la charge dynamique équivalente pour un roulement combiné radial et axial ?
La charge dynamique équivalente P est calculée en utilisant P = XFr YFa, où Fr est la charge radiale, Fa est la charge axiale et X et Y sont les facteurs indiqués dans le catalogue du fabricant de roulements pour chaque type de roulement. Pour un roulement à billes à gorge profonde, les valeurs de X et Y dépendent du rapport Fa/Fr et de la classe de jeu radial. Lorsque Fa/Fr dépasse un seuil appelé e, la charge axiale devient importante et Y augmente. Pour des résultats précis, utilisez toujours les valeurs X et Y spécifiques du roulement sélectionné dans sa fiche technique lorsque vous sélectionner le bon roulement pour un gear reducer .
Quelle est la différence entre le C3 et le jeu standard, et pourquoi le C3 est-il courant dans les boîtes de vitesses ?
Le jeu C3 offre un jeu interne radial plus grand que le jeu normal CN. Il est spécifié pour les roulements de réducteurs à engrenages car la bague intérieure, montée avec un ajustement serré sur l'arbre, se dilate et réduit le jeu. De plus, la bague intérieure chauffe plus que la bague extérieure en raison de la conduction thermique des engrenages, ce qui réduit encore le jeu. Le jeu C3 compense ces réductions et empêche le roulement de fonctionner sous une précharge excessive, ce qui augmenterait la friction et réduirait la durée de vie.
Puis-je utiliser des roulements étanches dans une boîte de vitesses lubrifiée par bain d'huile ?
Les roulements étanches avec joints en caoutchouc intégrés ne sont généralement pas recommandés pour la lubrification par bain d'huile, car les joints empêcheront l'huile pour engrenages de pénétrer et de lubrifier le roulement. Au lieu de cela, des roulements ouverts ou des roulements blindés sont utilisés, permettant à l'huile projetée de s'écouler à travers le roulement. Cependant, des roulements étanches sont appropriés pour l'extension de l'arbre d'entrée, là où l'arbre sort du boîtier, afin d'éviter les fuites d'huile le long de l'arbre. À cet endroit, le roulement scellé est graissé à vie et isolé de l’huile interne.
Maîtriser comment sélectionner le bon roulement pour un réducteur à engrenages est un processus systématique qui combine l'analyse des charges, les calculs de durée de vie et les considérations pratiques de lubrification, de jeu et de montage. En suivant les étapes de calcul des forces d'engrenage, de choix du type de roulement correct, de dimensionnement du roulement pour la durée de vie L10 requise, de vérification de la capacité statique et de confirmation des conditions de lubrification, l'ingénieur garantit que le réducteur fonctionnera de manière fiable et silencieuse pendant sa durée de vie prévue sans défaillance prématurée du roulement.
