Ste ANIS ROULEMENTS & TRANSMISSION
  L'UNIVER DU ROULEMENT:
 
Après un bref historique des différentes solutions adoptées au cours de l'histoire pour minimiser le frottement, nous avons analysé les lieux où il se produit. Ceci permet en première approche, d'expliciter les raisons de la mise au point des roulements sous ses différentes formes et à partir de cette analyse de faire le tour des problèmes qui se posent. L'objectif principal est d'améliorer le fonctionnement des organes mécaniques qui utilisent les roulements, au meilleur coût. Les bases physiques du développement d'un modèle de calcul, sachant tenir compte du comportement du matériau sous contraintes de Hertz et permettant de mieux prédire leur durée et de mieux dimensionner les roulements sont présentées. Enfin les domaines qui permettent de faire progresser les performances techniques et économiques des roulements sont analysés en relation directe avec les causes possibles, et les paramètres sur lesquels le concepteur peut agir sont décrits: simplification des montages, connaissance des paramètres qui minimisent le frottement et augmentent la durée de vie sans en accroître le coût-qualité des matériaux, techniques d'usinage, traitements thermiques. *********************************************************************************************************** Histoire de roulements: " Dès l'Antiquité, l'homme eut à affronter les forces de la nature. Et il s'aperçut bien vite que, pour déplacer de lourdes charges, sa force, ou même celle des animaux qu'il avait domestiqués, était insuffisante. Il contourna la difficulté principale - le frottement des matériaux - en substituant le roulement au frottement de glissement. Il plaça des rouleaux de bois sous les patins des traîneaux. L'ancêtre du roulement venait d'apparaître… " (Ecole Polytechnique.- Paliers graisseurs et boites à huile, portefeuille des élèves. 1880) Selon certains récits d'esquimaux recueillis par les premiers voyageurs qui découvrirent les étendues glacées polaires, il aurait été fait usage pour déplacer de lourdes charges, de traîneaux munis de galets de roulement en os de phoque; avant de mettre en marche ces véhicules rudimentaires les conducteurs les retournaient, emplissaient leur bouche d'eau et la crachaient le long des galets. Ainsi, ils supprimaient le dernier rempart au déplacement : la surface de contact entre le traîneau et le sol de glace. L'eau emplissait les cavités de ces rouleaux et glaçait; après quoi les galets incrustés de glace étaient polis avec des gants jusque ce que soit obtenue une surface lisse. C'est ainsi que ces peuplades traduisaient de façon concrète la notion qu'ils avaient de la possibilité de diminuer la résistance de corps se déplaçant sur le sol par l'emploi d'organes de roulement, présentant ce que les techniciens modernes appelleraient un coefficient de frottement minimum. La cinquième dynastie égyptienne - environ 3000 ans avant J.C. - nous a laissé mention de l'usage de roues. Plus tard, un bas relief retrouvé dans ce qui fut l'ancienne ville de Ninive, nous montre l'usage de rouleaux pour le déplacement de grosses pierres ; les Assyriens comme les Égyptiens utilisèrent certainement cette méthode pour transporter les lourds matériaux nécessaires à la construction de leurs nombreux édifices (fig 34). 34. Transport d'un taureau ailé au moyen de rouleaux (- 680 av. J.-C.). Mais la première machine dans laquelle l'emploi de galets revêt un caractère purement organique semble bien être celle réalisée vers l'An 330 avant J.C. par Diades qui fut en quelque sorte l'ingénieur en chef de fabrication d'armements d'Alexandre Le Grand. Cet ingénieur avait conçu un bélier dont le mouvement était commandé par des roulements placés dans des gorges et maintenus à des distances fixes les uns des autres, à leur extrémité, par une sorte de cage (fig 35). Le bélier était mis en action par des manœuvres qui tiraient sur des câbles attachés à chaque extrémité de la cage et passant sur des poulies folles fixées aux extrémités du socle fixe du bélier. 35. Bélier monté sur " rail à billes " (-330 av. J.-C.). Un deuxième exemple d'application mécanique du roulement et qui nous rapproche davantage des roulements modernes, remonte à l'époque de Caligula, de l'an 12 à l'an 41 de notre ère. En drainant le lac Nemi en 1928 un certain nombre de reliques datant de cette époque furent retrouvées dans deux vaisseaux. Entre autres objets on remarqua un socle supportant, par l'intermédiaire de rouleaux sphériques prolongés par des tourillons, un plateau rotatif ; un socle mobile de statue équipé par ce qui peut être considéré comme un des premiers dispositifs d'orientation à billes (fig 36). Des évidements en forme de calottes sphériques étaient creusés dans le disque supérieur et les tourillons des billes étaient soutenus par des bandes de cuivre cousues à la partie inférieure de ce disque. Les disques étaient en bois et les roulements en bronze. Ceux-ci constituent sans doute le premier exemple d'organe de roulements de forme sphérique, bien qu'en l'occurrence les tourillons aident à supporter la charge et qu'il n'y ait pas à proprement parler de roulement parfait comme dans les butées à billes modernes. 36. Reconstitution de la butée retrouvée dans la galère de Caligula (12 ap. J.-C.). S'il faut remonter dans l'histoire de la civilisation moderne à Léonard De Vinci, en 1485, pour dégager les notions de frottement de glissement et de frottement de roulement, ce n'est que beaucoup plus tard, en 1534, qu'il est fait mention de roulements à billes dans les mémoires de Benvenuto Cellini un orfèvre florentin, auquel François 1er commanda une statue en argent de Jupiter d'environ cinq pieds et demi de haut. " Ayant terminé avec une extrême diligence la splendide statue de Jupiter, je la plaçai sur un socle de bois, et sur ce socle je fixai quatre petites sphères de bois enfoncées de plus de moitié dans des logements creusés dans ce socle, et disposées si bien qu'un petit enfant pouvait avec la plus grande facilité, mouvoir cette statue en avant et en arrière ou en tournant sur elle-même. " (fig 37) 37. Socle de la statue de Jupiter (1534). En 1714, le Bureau des longitudes de Londres offrit de nombreux prix pour la mise au point d'une méthode permettant de déterminer en mer la longitude d'un point à moins de 1 degré d'arc près. L'un des gagnants de ce concours fut Henri Sully, qui réalisa un chronomètre d'une grande précision, obtenue en partie par l'emploi de roulements. C'est là la première application du principe de ces mécanismes à un instrument scientifique. Dans le même ordre d'applications, en 1720, Atwood utilisa également des roulements dans son instrument de mesure de l'accélération de la pesanteur. On peut citer l'exemple de la pendule anglaise " Eureka ", reconnaissable à son important balancier dont les pivots sont portés par un roulement à billes, il s'agit là de la première application connue du roulement à billes dans l'horlogerie. Coulomb en 1760 dégage des travaux de Léonard De Vinci les lois fondamentales du frottement. Un peu plus tard apparaissent les véritables prototypes de nos roulements actuels. D'abord, en 1780, est construite la première des butées à billes modernes, qui supporte l'arbre principal du moulin de Sprowston, dans le Norwich, en Angleterre. Un point intéressant à noter est le suivant : le diamètre du cercle générateur du tore dans lequel roulent les billes n'est pas le même que celui des billes mais plus grand : 1,22 fois plus grand. Un peu plus tard en 1794 apparaît le premier brevet couvrant un roulement à billes destiné à supporter des charges radiales et déposé par l'Anglais Philippe Vaugham, il sera employé pour les essieux de voiture.
Le brevet du moyeu à billes est pris en 1869, le français Jules Pierre Suviray dépose les dessins et la description d'un dispositif d'application du roulement à billes aux axes des roues d'un véhicule, puis viennent tous les perfectionnements aux moyeux des vélos dont celui de Rodge en 1878, qui est l'origine du roulement dit à cône (fig 38) et cuvette. L'efficacité des roulements exige une fabrication très minutieuse et il est très difficile à l'époque d'obtenir des rouleaux ou des billes de même taille pour permettre un bon fonctionnement de l'ensemble. Il faudra attendre 1883, pour que la popularité de la bicyclette - brevets de l'Écossais A.L. Thirion au milieu du XIXe siècle - permette à la production de billes en acier de devenir une véritable industrie et d'atteindre la qualité requise. En même temps les constructeurs commencent à procéder à des recherches théoriques et expérimentales relatives à la construction des roulements, celles-ci permirent de résoudre les problèmes de fabrication qui freinaient le développement de ce composant indispensable. De son côté, l'Allemand Heinrich Hertz effectue ses travaux théoriques de sur les déformations des corps en 1881. 38. Roulement à cône d'essieu de vélo (1878). A côté de l'intégration des roulements au vélo, et en marge des intégrations industrielles qui ne constituent pas en elles des applications " sociales " du roulement, on peut noter l'exemple du patin à roulettes. Crée en 1770 grâce à Joseph Merlin, un inventeur belge excentrique, les patins peinaient à décoller. Perfectionnés progressivement en 1819, par Petitbled qui invente le patin à " arrêtoir " puis en 1823 par Tyers qui met en place l'ancêtre du patin en ligne, enfin en 1828 par Jean Garcin qui installe une tige pour maintenir la cheville. Cependant, le patin se retrouvait dans la problématique arbre/moyeu … c'est tout naturellement le roulement à billes qui sera la solution et qui fera se déchaîner véritablement les patineurs. Un article, paru en décembre 1898 dans la revue américaine " The Pratical Engineer ", sous le signature de C.J. Benjamin, fera le point, d'une manière très intéressante, des connaissances sur la technique des roulements recueillies à l'époque posant déjà les véritables fondements de ce qui deviendra l'industrie du roulement (les extraits traduits de The Practical Engineer en annexe permettront de s'en donner une idée). On voit ainsi qu'à la fin du dernier siècle la technique du roulement n'en est qu'à ses prémices. Cependant, à la même époque, alors que les techniques du roulement se précisent et même si le coefficient de frottement d'où roulement à billes est environ le dixième de celui des meilleurs paliers lisses, l'intermédiaire privilégié entre l'arbre et l'alésage reste quand même le palier (cf. étude des grands exemples). Des paliers de plus en plus performants deviennent nécessaires pour éviter les frictions dans les machines (fig 39, fig 40, fig 41). 39. Palier graisseur à disque Decoster (1920). 40. Palier graisseur continu à disque et à cuiller de déversement pour arbre vertical (1920). 41. Palier lubrificateur pour arbre vertical (1920). En 1903, la firme allemande Fichtel & Sachs fait breveter un roulement à billes, dans lequel les billes sont introduites au moyen d'une encoche de remplissage (fig 42), formée par de légers évidements parallèles a l'axe pratiqués dans la face latérale du chemin de roulement, mais qui ne sont pas assez profondes pour atteindre le fond des gorges du chemin de roulement. Un brevet analogue est pris en France la même année par Malicet et Blin (fig 99). 42. Principe d'encoche de remplissage pour roulement, Fichtel & Sachs (1903). En 1903 aussi, Robert Conrad fait breveter un type de roulement à billes sans encoche de remplissage (fig 43). Les billes sont mises en place en chauffant légèrement la bague extérieure et en décalant les deux bagues l'une par rapport à l'autre on entre les billes en forçant légèrement les deux dernières au moyen d'une petite presse. En 1906 un brevet allemand est pris pour un roulement à rouleaux, et en 1907 J. Kirney fait également breveter un roulement semblable. 43. Montage par dilatation des éléments, Conrad (1903). Sven Wingquist invente en 1907 le roulement à billes sphérique (il sera le fondateur de la société S.K.F.). Puis apparaissent les roulements à double rangée de billes, avec chemin extérieur sphérique, assurant l'alignement des deux chemins l'un par rapport à l'autre ; puis le roulement simple et double à rouleaux en forme de tonneau ; puis les roulements à rouleaux coniques (fig 44) à simple et double rangée. 44. Roulement à rouleaux coniques, Timken (1907). Cette esquisse de l'Historique des roulements est évidemment incomplète comme j'ai pu le souligner en introduction. En particulier pendant ces dernières années ; le développement de la conception et de la construction des roulements s'est étroitement lié à celui de l'industrie automobile qui a en particulier assuré la création de séries normalisées.
Le roulement doit son nom et son origine aux "corps roulants", tel que le rondin de bois utilisé par les Egyptiens au temps des pharaons. Ce procédé a permis de : augmenter la vitesse de déplacement résoudre le problème de frottement diminuer la pénibilité des tâches Si notre roulement doit beaucoup au rondin de bois, il s'est aussi amplement inspiré de la roue. C'est le principe de la rotation qui les réunit, tous deux tournant autour d'un arbre. Le problème à résoudre était donc le suivant : lutter contre le frottement par la rotation en augmentant la vitesse. Léonard de Vinci fut le premier à dessiner une pièce pouvant répondre à ce problème. L'ancêtre du roulement était né…mais seulement sur le papier !!! Le réel tournant historique du roulement fut donc la Révolution Industrielle. Le roulement fut adapté à son environnement (d'où différents types de roulements) et il contribua aux progrès techniques, au développement de l'industrie et donc aux modes de vie. Qui a inventé le roulement ? L'idée de remplacer le frottement de glissement par celui de roulement remonte aux civilisations les plus anciennes. Certains bas-reliefs égyptiens représentent le transport d'énormes blocs de pierre, destinés à la construction de monuments, que l'on faisait glisser sur des troncs d'arbres en guise de rouleaux. Les restes d'une plate-forme tournante provenant d'un navire de l'empereur Caligula, retrouvés au fond du lac de Nemi vers 1930, témoignent que les roulements rudimentaires étaient utilisés depuis l'Antiquité. Cette plate-forme peut être considérée comme l'un des premiers exemples de roulement de butée, c'est-à-dire d'un roulement destiné à supporter des charges directes et roulant autour de son axe. Au XVème siècle, Léonard de Vinci découvrit le principe du roulement. Ce dernier se rendit compte que la friction serait moindre si les billes ne se touchaient pas. Il mit alors au point des séparateurs permettant aux billes d'évoluer librement. Ce mécanisme fut réinventé au XVIIIème siècle lorsque fut breveté, en Angleterre, un essieu pour voitures à chevaux muni d'une couronne de billes roulant dans des gorges de section semi-circulaire pratiquées sur ce même essieu. Au XIXème siècle, on assiste à l'éclosion d'une multitude d'applications et de perfectionnements des roulements, rendus possibles par les progrès réalisés à la même époque dans le domaine de la métallurgie et de la technique. Le croquis de Léonard de Vinci “Les sciences mécaniques sont les plus nobles et les plus utiles d'entre toutes, car par leur biais tous les corps animés exécutent l'opération pour laquelle ils ont été conçus."
 
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