Pression de Hertz et déformation
Roulements à rouleaux et à aiguilles – Calculs

Cet article présente le calcul des roulements à rouleaux : capacité de charge statique, durée de vie attendue et couple de frottement. On y inclut les roulements à aiguilles, car l’aiguille n’est autre qu’un rouleau cylindrique de faible diamètre. Aiguilles et rouleaux cylindriques se calculent de la même façon.

La particularité du roulement à rouleaux est que le contact rouleau/piste est linéaire, ce qui lui confère une grosse capacité de charge, mais aussi un fort couple de frottement, surtout lorsqu’une charge axiale est exercée. On obtient donc des propriétés opposées à celles du contact ponctuel bille/piste des roulements à billes, qui offrent quant à eux une capacité de charge modérée et un faible couple de frottement. Le calcul des roulements à billes fait l’objet des articles [BM 5 372] et [BM 5 373].

Il existe 3 types de rouleaux : le rouleau cylindrique, le rouleau conique et le rouleau sphérique. Dans le cas du rouleau cylindrique ou conique, l'effort devra être bien réparti sur la longueur du rouleau, ce qui requiert un alignement soigné inférieur à 1 mrad entre arbre et logement. Le rouleau sphérique n’est présent que dans les roulements à rotule sur rouleaux, qui permettent un défaut d’alignement de ± 1,5 à 3,5 degrés selon les séries proposées en catalogue, mais seulement ± 0,5 pour les versions étanches.

Rouleau conique :

Parmi les 3 types de rouleaux, seul le rouleau conique peut être préchargé pour supprimer le jeu. On utilise le roulement à rouleaux coniques dans les arbres de réducteurs, les roues de poids lourds, les boîtes d'essieux du TGV, les ponts arrière de camion et de voiture, et les renvois d'angle à pignons coniques.

Rouleau cylindrique :

De grande liberté de dilatation axiale, le roulement à rouleaux cylindriques est utilisé dans les gros moteurs électriques, les boîtes d'essieux de wagon, les galets de pression et les cylindres de laminoir. Le roulement à aiguilles est utilisé dans les applications où un faible encombrement radial est requis : les joints de cardan et les trains d’engrenages planétaires. Les catalogues le proposent aussi dans une version sans bague interne, permettant de le monter directement sur l’arbre.

Rouleau sphérique :

Le roulement à rotule sur rouleaux est le type de roulement le plus élaboré et le plus onéreux. Il offre à la fois une grande capacité de charge, une grande durée de vie et une capacité d’auto-alignement dans un faible encombrement. Inventé en 1919 par l’ingénieur suédois Arvid Palmgren, ce roulement a fait progresser la vitesse des trains de 90 à 120 km.h⁻¹, et le brevet a été déposé dans 20 pays. Jusqu’à sa retraite en 1955, Palmgren a été le chef du département technique de SKF, et c’est à lui que nous devons les premiers modèles de calculs de tous les types de roulements. Le roulement à rotule sur rouleaux est utilisé dans les paliers de laminoir, les gros réducteurs, les éoliennes et les gros ventilateurs industriels, les cylindres de machines à imprimer, les arbres d'hélice de navire, les gros galets de pression, les calandres, les machines vibrantes (concasseurs, cribles, tamis…), les essieux de trains, les gros engins de chantier… Dans le cas des arbres verticaux lourds, on emploie les butées à rouleaux sphériques : ventilateurs, turbo-alternateurs, butées de réaction d'arbre d'hélice de navire, pivots de grue, crapaudines, vis d'injection de plastique.