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La durée de vie des roulements hybrides - une vérification de la réalité

Les roulements hybrides, associant des éléments roulants en céramique à des chemins de roulement en acier, se sont avérés supérieurs dans de nombreuses applications, mais comment pouvez-vous prédire s'ils conviennent à la vôtre? La réponse est un nouveau modèle de durée de vie des roulements qui évalue et compare les performances des roulements dans des conditions réelles.

Par Guillermo Morales-Espejel, scientifique principal, Développement de la recherche et de la technologie, SKF

Guillermo Morales-Espejel, scientifique principal, Développement de la recherche et de la technologie, SKF

Guillermo Morales-Espejel, scientifique principal, Développement de la recherche et de la technologie, SKF


La durée de vie nominale est un facteur clé - bien que ce ne soit pas la seule considération - lors du choix des roulements. Au cours des dernières années 50 et plus, il a été démontré que les unités hybrides surpassaient et surpassaient les roulements tout acier dans de nombreuses situations. Par exemple, ils sont devenus un choix évident pour une utilisation avec des broches de machines-outils à grande vitesse.

Les matériaux céramiques sont particulièrement utiles dans des conditions de lubrification et de contamination difficiles. Leur coefficient de frottement limite inférieur permet une plus grande efficacité lorsque la lubrification est médiocre et leur température de fonctionnement est généralement plus basse.

Ils ont également une plus grande résistance aux dommages de surface causés par les particules et évitent la possibilité de soudage de surface acier à acier. En outre, ils ont d'autres propriétés utiles telles qu'une résistance électrique élevée et un faible poids.

La gamme d'utilisations des roulements hybrides s'est élargie, en partie à cause de la baisse des coûts liée à l'évolution des technologies de fabrication, mais reste une option plus onéreuse. Les ingénieurs qui envisagent de les utiliser doivent savoir si le surcoût sera justifié par les avantages liés aux performances.

Roulements hybrides

Limites de la modélisation de la durée de vie des roulements conventionnels

Traditionnellement, les ingénieurs entrent des informations sur les charges et les vitesses attendues de leur application dans une équation qui détermine la durée de vie nominale de la conception du roulement. La charge dynamique (C) d'un roulement indique principalement ses performances en matière de fatigue sous la surface. Au cours de millions de cycles de chargement et de déchargement, la fatigue s’accumule et le roulement finit par tomber en panne.


Toutefois, pour les roulements hybrides, l’attention portée à la fatigue sous la surface par ce modèle de durée de vie pose des problèmes. Les éléments roulants en céramique sont plus rigides que ceux en acier, ils se déforment donc moins sous la charge.

Il en résulte une concentration de charge sur une zone plus petite, ce qui augmente les contraintes et accélère la fatigue sous la surface. Cela peut donner une impression défavorable qui va souvent à l’encontre des preuves de la performance des roulements hybrides sur le terrain.

L'expérience de SKF dans le monde réel montre que la plupart des défaillances de roulements en service sont en réalité dues à des problèmes à la surface plutôt que dans le corps du matériau. Cela est vrai pour les roulements en acier et hybrides.

Les dommages causés par une lubrification insuffisante ou par une contamination sont généralement à l'origine du problème. Les normes modernes telles que ISO 281 tentent de prendre en compte ces effets avec des facteurs de correction, mais elles ne reflètent toujours pas le comportement réel des roulements.

Gblm à roulement hybride

La nouvelle approche


Pour remédier à ces problèmes de calcul, une équipe de SKF a été créée à 2012 pour développer un nouveau modèle. L’objectif était de s’appuyer sur le modèle de fatigue sous la surface existant, mais aussi de modéliser les défaillances en surface et d’utiliser les données des tests d’endurance.

Les recherches de l'équipe s'appuient sur des décennies d'expérience en science des matériaux et en tribologie - la science des surfaces en interaction en mouvement relatif. Tous les aspects du comportement des surfaces d'appui ont été étudiés en détail, de leurs caractéristiques de frottement à la manière dont elles sont indentées par les particules de saleté sous charge.

Pour générer les données nécessaires à l’étalonnage et à la validation du modèle, il a fallu tester des centaines de roulements, du type tout acier au modèle hybride. La durée de vie a été mesurée sur une large gamme de charges et de conditions de surface, ainsi que pour les roulements dans des conditions de lubrification insuffisantes ou contaminées. Pour créer des courbes de comportement, il fallait tester les roulements autour de 30 pour chaque point, avec plusieurs défaillances dans chaque cas.

Le résultat de ces travaux, sous 2018, a été un nouveau modèle généralisé de durée de vie des roulements pour roulements hybrides. Il a depuis été testé et approuvé par un groupe distingué d'ingénieurs d'application. Des versions prototypes du modèle ont été appliquées parallèlement aux méthodes conventionnelles d’estimation de la durée de vie des roulements et les résultats ont été comparés à l’expérience réelle des ingénieurs en matière de projets.

Modèle généralisé de durée de vie

Application dans la vie réelle

Afin de démontrer le type de compréhension rendu possible par ce modèle, l'équipe de SKF a récemment appliqué sa méthode à quatre scénarios types du monde réel. La durée de vie nominale d'un roulement de pompe hybride, lubrifiée par un bain d'huile dont l'huile diluée entraînait une lubrification médiocre, était huit fois plus longue qu'une unité équivalente en acier.

En outre, un roulement de compresseur à vis hybride fonctionnant avec un lubrifiant contaminé a été modélisé et sa durée de vie nominale est cent fois supérieure à celle d'un produit en acier conventionnel.

Les calculs pour deux applications de moteur électrique ont également été modélisés, sous des régimes de charge variables, mais dans des conditions propres et bien lubrifiées dans les deux cas. Des durées de notation similaires étaient indiquées pour les roulements hybrides et en acier. Dans de tels cas, il convient de rappeler que d'autres propriétés hybrides - telles que la résistance électrique ou l'allongement de la durée de vie de la graisse - peuvent toujours justifier la différence de prix.

Une version du modèle a été intégrée à Sélection de roulement SKF - un outil Web proposé aux clients en ligne et via des applications logicielles dédiées. Dans le même temps, les ingénieurs SKF soutiennent les projets de leurs clients en appliquant une version plus sophistiquée de l’outil de modélisation.

Sélection de roulement SKF


En règle générale, les roulements fonctionnant sous des charges plus légères mais avec des problèmes de lubrification insuffisante ou de contamination sont de bons candidats pour un remplacement par des alternatives hybrides. Si les charges sont lourdes mais que l'environnement du roulement est propre et bien lubrifié, la résistance de l'acier à la fatigue sous la surface peut avoir l'avantage.

Quelle que soit la situation, le nouveau modèle identifiera non seulement l'option avec une durée de vie plus longue mais quantifiera la différence.

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