FR2921451A1 - Palier a roulement et cage pour un tel palier - Google Patents

Abstract

Cage de retenue pour des billes d'un palier à roulement, comprenant un talon annulaire 16 prolongé axialement par des portions en saillie 18 définissant entre elles des alvéoles 15 pour les billes, débouchant radialement de part et d'autre de la cage. La cage a été réalisée à partir d'un matériau métallique et la surface de chaque alvéole 15 est destinée à coopérer avec une des billes et est définie par un cylindre fictif d'axe orienté radialement et coupé par le plan délimitant axialement la cage du côté opposé au talon 16 de façon à former une ouverture axiale de l'alvéole, la largeur de cette ouverture étant inférieure au diamètre dudit cylindre fictif.

Description

B07-3034FR - AxC/EVH Société de droit suédois dite : Aktiebolaget SKF

Palier à roulement et cage pour un tel palier Invention de :

Palier à roulement et cage pour un tel palier L'invention concerne les paliers à roulement, notamment les roulements à billes du type à gorges profondes, et utilisés dans des applications pour hautes vitesses de rotation et hautes températures. L'invention concerne en particulier la cage de retenue des billes assurant l'espacement circonférentiel convenable entre les billes. On connaît des cages de retenue des billes pour des paliers à roulement réalisées en matière synthétique, comportant des alvéoles pour le logement des billes. Les alvéoles sont séparées par des griffes disposées par paires, à l'opposé d'un talon. De telles cages de retenue donnent entière satisfaction dans de nombreuses applications. Toutefois, dans des applications où des conditions extrêmes de vitesse et d'accélération, associées à des températures de fonctionnement élevées, sont rencontrées, ce genre de cages entraîne différentes difficultés. Ce peut être le cas, par exemple pour des roulements utilisés dans des embrayages multidisques, pour des véhicules de course de type Formule 1. A l'état embrayé, les deux bagues du roulement tournent à la même vitesse et dans le même sens à des vitesses de l'ordre de 19 000 tours/min. Il n'y a alors aucun mouvement relatif entre les bagues, les éléments roulants et la cage lors des séquences de changement de vitesse (débrayage/embrayage), en l'espace d'environ 40 millisecondes, la bague intérieure du roulement ralentit par rapport à la bague extérieure avec un différentiel possible de 9000 tours/min., puis ré-accélère pour reprendre une vitesse de rotation égale à celle de la bague extérieure, le tout à des températures de l'ordre de 200°C à 250°C. A de telles vitesses et de telles températures, une cage de retenue des billes en matière synthétique tend à prendre une forme conique par action de la force centrifuge. On dit qu'elle se met en parapluie . En effet, sous l'effet de la force centrifuge, la cage est soumise à des contraintes qui tendent à la déformer, principalement dans le sens radial, et à lui donner une forme conique par augmentation de son diamètre du côté le moins rigide, c'est-à-dire du côté de l'ouverture des alvéoles de logements des billes. Ce phénomène de déformation est encore aggravé du fait que ces cages sont réalisées en matériau synthétique qui a tendance à se ramollir à haute température. De telles déformations peuvent bien entendu avoir des conséquences nuisibles au bon fonctionnement du palier à roulement. En particulier, dans les cages de type connu, elles entraînent un risque d'interférence entre la cage et l'alésage de la bague extérieure du roulement. La demande de brevet européen EP-A-O 304 872 décrit une cage pour roulement à billes destinée à résister à de hautes températures, les billes se déplaçant sur une bague extérieure à gorge profonde. La cage décrite est réalisée en carbone. Elle se présente sous la forme d'un anneau massif comprenant des alvéoles qui débouchent dans des zones découpées sur l'un des bords de la cage. La largeur des zones découpées est légèrement inférieure au diamètre des billes, de sorte que celles-ci se trouvent convenablement retenues à l'intérieur des alvéoles. Une telle cage est coûteuse et ne convient pas à de hautes vitesses et de hautes accélérations du fait de son inertie due à une structure massive. De plus, l'utilisation de carbone pour la réalisation d'une telle cage la rend relativement fragile et sensible aux chocs. La présente invention a pour objet de résoudre ces difficultés, et propose une cage et un palier à roulement équipé d'une telle cage qui puissent fonctionner dans les meilleures conditions à hautes vitesses et hautes accélérations, sous haute température. En particulier, la cage de la présente invention est conçue de façon à réduire les distorsions ou déformations en raison de la force centrifuge et de façon que ces déformations ne risquent pas de nuire au bon fonctionnement du palier à roulement équipé d'une telle cage. Enfin, la présente invention a également pour objet un roulement à billes équipé d'une cage ainsi qu'une cage pour un tel roulement, qui soient faciles à fabriquer et d'un coût réduit.

Dans un mode de réalisation, un palier à roulement comprend une bague extérieure et une bague intérieure entre lesquelles est montée au moins une rangée de billes maintenues par une cage de forme générale annulaire. La cage présente un talon annulaire prolongé axialement par des portions en saillie définissant entre elles des alvéoles pour les billes, débouchant radialement de part et d'autre de la cage. La cage a été réalisée à partir d'un matériau métallique. La surface de chaque alvéole coopérant avec une des billes est définie par un cylindre fictif d'axe orienté radialement et coupé par le plan délimitant axialement la cage du côté opposé au talon, de façon à former une ouverture axiale de l'alvéole, la largeur de cette ouverture étant inférieure au diamètre des billes. Le diamètre du cylindre fictif précité est légèrement supérieur à celui des billes, de sorte que la zone de contact des billes avec les alvéoles se réduit sensiblement à un point.

De préférence, l'épaisseur radiale du talon de la cage est supérieure à l'épaisseur radiale des extrémités libres desdites portions en saillie. Ainsi, la zone critique opposée au talon de la cage, comportant les portions en saillie et les alvéoles, est allégée mais conserve une rigidité suffisante. De plus, la matière de la cage est concentrée majoritairement vers le centre de rotation de la cage. Les déformations radiales de la zone critique de la cage pour les grandes vitesses de rotation sont donc considérablement diminuées. De plus, les risques d'une interférence avec l'alésage de la bague extérieure du palier sont éliminés. L'utilisation d'une cage métallique permet en outre de s'affranchir des problèmes de tenue en température que l'on peut rencontrer avec des cages réalisées à base de matériaux synthétiques. De préférence, le diamètre extérieur des portions en saillie, lorsque le palier est immobile, est inférieur au diamètre extérieur du talon et supérieur au diamètre primitif du palier correspondant au diamètre du cercle parcouru par le centre des billes lors du fonctionnement du palier. Lorsque le palier tourne à grande vitesse, la zone de contact entre les billes et les alvéoles de la cage a tendance à se rapprocher du centre des billes lors des déformations radiales des portions en saillie de la cage du fait de la force centrifuge. I1 en résulte une meilleure tenue des billes à haute vitesse. De préférence, la longueur axiale desdites portions en saillie est inférieure au diamètre des billes. La largeur de l'ouverture axiale des alvéoles peut être comprise entre 92% et 97% du diamètre des billes. Les billes sont ainsi logées dans des alvéoles cylindriques ouvertes, le diamètre du cylindre définissant les parois internes des alvéoles étant légèrement supérieur au diamètre des billes. Les billes, une fois installées dans les alvéoles, dépassent axialement de l'ouverture des alvéoles. Les billes sont retenues dans les alvéoles et peuvent être introduites dans celles-ci par déformation élastique des portions en saillie de la cage.

Pour faciliter cette déformation élastique, lesdites portions en saillie peuvent avantageusement présenter des fentes ou des encoches axiales entre les alvéoles. Des languettes sont ainsi formées de chaque côté de l'ouverture axiale des alvéoles. Ces languettes peuvent fléchir très légèrement, sans dépasser la limite élastique du matériau, dans le sens circonférentiel, lors de l'encliquetage axial de la cage sur les billes puis revenir à leur position initiale pour retenir axialement les billes dans la cage. Les fentes ou les encoches peuvent par exemple s'étendre sur une longueur axiale comprise entre 20% et 60% de la longueur axiale desdites portions en saillie, de préférence environ 50%. La cage peut être centrée sur la bague intérieure du palier avec un jeu radial entre la cage et ladite bague compris avantageusement entre 0,1 et 0,4 mm, de préférence entre 0,1 et 0,2 mm. Selon un autre aspect de l'invention, une cage de retenue pour des billes d'un palier à roulement comprend un talon annulaire prolongé axialement par des portions en saillie définissant entre elles des alvéoles pour les billes, débouchant radialement de part et d'autre de la cage. La cage est réalisée à partir d'un matériau métallique. La surface de chaque alvéole destinée à coopérer avec une des billes est définie par un cylindre fictif d'axe orienté radialement et coupé par le plan délimitant axialement la cage du côté opposé au talon de façon à former une ouverture axiale de l'alvéole, la largeur de cette ouverture étant inférieure au diamètre dudit cylindre fictif.

De préférence, l'épaisseur radiale du talon est supérieure à l'épaisseur radiale des extrémités libres desdites portions en saillie. La longueur axiale desdites portions en saillie est de préférence inférieure au diamètre dudit cylindre fictif. Lesdites portions en saillie présentent avantageusement des fentes ou des encoches axiales entre les alvéoles facilitant l'introduction des billes dans les alvéoles par déformation élastique des portions en saillie. Le talon et les portions en saillie se raccordent de préférence par un arrondi.

Dans tous les cas, le matériau choisi pour la cage peut être un alliage cuivreux tel que le bronze, notamment CuSn8P, le laiton, notamment CuZn40MnlPb. On obtient ainsi un faible coefficient de friction sur l'acier des billes et sur la portée cylindrique de la bague intérieure du palier sur laquelle la cage est centrée. On peut également utiliser un acier, notamment du type AMS 6415, pour la réalisation de la cage. On peut avantageusement améliorer le coefficient de frottement avec les billes et la bague intérieure du palier en prévoyant un revêtement métallique antifriction sur les surfaces de la cage, par exemple un revêtement à base d'argent. La fabrication d'une telle cage peut se faire à partir d'une ébauche annulaire forgée ou obtenue par tronçonnage à partir d'un tube. On perce ensuite des trous radiaux traversant pour former les surfaces intérieures des alvéoles. L'usinage des différents diamètres et des faces peut être fait par tournage. Les fentes ou encoches entre les alvéoles peuvent être obtenues par fraisage. L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation détaillé décrit à titre nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'un palier à roulement selon l'invention, montrant le palier immobile ou tournant à faible vitesse ; - la figure 2 montre, également en coupe, une cage utilisée dans un roulement selon l'invention ; - la figure 3 illustre en perspective la cage de la figure 2 ; et - la figure 4 est une vue en coupe analogue à la figure 1, montrant le palier tournant à grande vitesse.

En se référant tout d'abord à la figure 1, le palier à roulement illustré, qui se trouve représenté à l'état immobile ou tournant à faible vitesse, sans déformation due à la force centrifuge, comprend une bague extérieure 1, et une bague intérieure 2. Entre les deux bagues 1, 2, est montée une rangée de billes 3 maintenue par une cage 4 de forme générale annulaire. Les billes 3 roulent sur des chemins de roulement profonds de forme toroïdale pratiqués respectivement sur la surface extérieure 5 de la bague intérieure 2, et sur l'alésage 6 de la bague extérieure 1. Le palier à roulement est protégé contre les agressions extérieures par deux joints d'étanchéité latéraux 7 et 8, qui ont une forme générale de flasque annulaire présentant du côté de l'alésage deux lèvres d'étanchéité 8 et 9 qui, en fonctionnement, forment un passage étroit entre elles et une surface cylindrique 10 faisant partie intégrale de la bague intérieure 2, et dont le diamètre extérieur est inférieur au diamètre extérieur de la bague intérieure 2.

La périphérie extérieure de chacun des joints d'étanchéité 7, 8 présente un rebord élastique 11 qui peut venir s'encliqueter dans une gorge 12 pratiquée sur les bord latéral de l'alésage de la bague extérieure 1. Les joints d'étanchéité 7, 8 sont réalisés en matériau synthétique souple surmoulé sur un flasque de renfort interne 13.

La cage annulaire 4 est centrée sur la surface cylindrique extérieure de la bague intérieure 2, avec un jeu radial 14 de l'ordre de o, l à 0,2 mm entre les surfaces intérieures 16b et 18b du talon 16 et des portions en saillie 18 d'une part, et la surface extérieure de la bague intérieure 2.

La cage 4 est réalisée en un matériau métallique. De plus, la cage comporte, comme on le voit mieux sur les figures 2 et 3, une pluralité d'alvéoles 15 également réparties sur sa périphérie et adaptées pour recevoir les billes 3. Du côté opposé aux alvéoles 15, la cage 4 présente un talon annulaire 16. Les alvéoles 15 débouchent radialement de part et d'autre de la cage 4. Chaque alvéole 15 est définie par un cylindre fictif d'axe XX' orienté radialement, passant par le centre O des billes 3 et coupé par le plan délimitant axialement la cage 4 du côté opposé au talon 16. La trace de ce plan est matérialisée par les extrémités libres 17 de portions en saillie 18 qui sont reliées par un arrondi 19 au talon 16 (voir figures 1 et 2). L'épaisseur radiale du talon 16 est supérieure à l'épaisseur radiale des extrémités libres des portions en saillie 18, comme on peut le voir clairement sur les figures.

Le diamètre extérieur de la cage 4 à l'endroit des portions en saillie 18, noté D1 sur la figure 2, est compris entre deux limites. I1 est tout d'abord inférieur au diamètre extérieur noté D sur la figure 1, du talon 16. De plus, le diamètre D1 des portions en saillie 18 est supérieur au diamètre primitif noté Dp sur la figure 1, qui correspond au diamètre du cercle parcouru par le centre des billes 3. La zone de contact entre chaque alvéole 15 et la bille 3 correspondante comprend un joint situé sur un plan équatorial de la bille et proche de la surface extérieure 18a de la portion en saillie 18. Comme on peut le voir sur la figure 1, le diamètre extérieur D du talon 16 est tel qu'il subsiste un écartement relativement important, noté 20, entre la surface extérieure 16a du talon 16 et l'alésage de la bague extérieure 1. Un écartement beaucoup plus important est maintenu entre la surface extérieure 18a des saillies 18 et l'alésage de la bague extérieure 1, de sorte que, lors des déformations des portions en saillie 18 dues à la force centrifuge, il ne peut y avoir d'interférence entre ces portions 18 et l'alésage de la bague extérieure 1. Les portions en saillie 18 qui délimitent les alvéoles 15 de retenue des billes 3 se trouvent disposées de façon que le plus de matière possible soit concentrée vers le centre de rotation de la cage 4.

La majeure partie des portions en saillie 18 se trouve disposée à l'intérieur par rapport au centre O des billes 3. De plus, la structure générale de la cage annulaire 4 avec son talon 16 et ses portions en saillie 18, permet d'obtenir une cage particulièrement allégée tout en conservant une rigidité convenable. La longueur axiale des portions en saillie 18 est inférieure au diamètre du cylindre fictif qui définit les alvéoles 15 et au diamètre des billes 3, comme on peut le voir sur la figure 1, où le bord extérieur libre 17 d'une portion en saillie 18 est masqué par une bille 3 représentée sur la figure. Les alvéoles 15 définies comme il a été dit précédemment, par le cylindre fictif coupé par le plan correspondant au bord extérieur de la cage 4, présentent ainsi une structure ouverte vers l'extérieur et sont constituées, dans l'exemple illustré, par un arc de cercle d'environ 270°. L'ouverture axiale subsistante des alvéoles 15 présente une largeur notée f sur la figure 2, qui est légèrement inférieure au diamètre des billes 3 de façon à permettre l'introduction des billes dans les alvéoles 15, ou le montage de la cage 15 sur la rangée de billes 3, par encliquetage des billes 3 dans les alvéoles respectives 15. La largeur de l'ouverture axiale f peut être par exemple comprise entre 92% et 97% du diamètre des billes 3. Le montage est rendu possible par la flexibilité des portions en saillie 18. Pour améliorer cette flexibilité, on a prévu, dans l'exemple illustré, des encoches axiales 21. Les encoches 21 s'étendent depuis les bords extérieurs libres 17 des portions 18 jusqu'environ le plan contenant les axes des cylindres fictifs définissant les alvéoles 15, ce qui correspond à 20 à 60% environ de la longueur axiale des portions en saillie 18. Les encoches 21 séparent deux languettes ou griffes 22 dont chacune constitue à la fois un bord d'une alvéole 15 et un bord d'une encoche 21. Les languettes 22 peuvent fléchir élastiquement dans le sens circonférentiel lors de l'encliquetage axial de la cage 4 sur les billes 3 puis revenir en position pour assurer le maintien axial relatif de la cage 4 sur les billes 3. On peut remplacer les encoches 21, qui ont une certaine largeur, par des fentes de largeur inférieure et de longueur similaire.

La figure 4, sur laquelle les éléments identiques portent les mêmes références, illustre la position prise par les portions en saillie 18 lors d'un fonctionnement à grande vitesse. Les portions en saillie 18 subissent une légère déformation sous l'effet de la force centrifuge.

L'axe YY' du cylindre fictif définissant les alvéoles fait un angle a avec l'axe XX' radial. La zone de contact entre le plan équatorial des billes 3 et les alvéoles cylindriques de la cage 4 s'est déplacée vers l'intérieur des alvéoles en se rapprochant de la surface intérieure 18b. La transmission des efforts en les billes et la cage se trouve donc améliorée. I1 en résulte que la configuration de la cage selon l'invention, non seulement réduit les déformations à haute vitesse grâce à la faible dimension radiale des portions en saillie, mais encore garantit un contact satisfaisant entre les billes et la cage à haute vitesse. La cage suivant l'invention est ainsi apte à fonctionner correctement à haute vitesse mais peut également supporter de fortes accélérations angulaires. Dans l'exemple illustré, la cage 4 a été réalisée en un alliage cuivreux tel que du bronze ou du laiton. Ces matériaux ont l'avantage de présenter un faible coefficient de frottement sur l'acier des billes. On peut citer à titre d'exemple le bronze CuSu8P ou le laiton CuZn40MnlPb qui donnent satisfaction dans les applications à haute vitesse, haute accélération et hautes températures. On obtient ainsi un frottement réduit entre la cage et les billes d'une part, entre la cage et la partie cylindrique de la bague intérieure d'autre part. On peut également utiliser une cage en acier, par exemple un acier répondant à la spécification AMS 6415, dont on peut améliorer le coefficient de frottement par un revêtement métallique antifriction, par exemple un revêtement d'argent.

On obtient ainsi conformément à l'invention, un palier à roulement avec une cage de retenue des billes, à la fois légère et endurante, peu sensible aux déformations sous l'effet de la force centrifuge et capable de supporter des vitesses, des accélérations et des températures élevées.

Claims (16)

REVENDICATIONS

1. Palier à roulement du type comprenant une bague extérieure (1) et une bague intérieure (2) entre lesquelles est montée au moins une rangée de billes (3) maintenues par une cage (4) de forme générale annulaire, la cage présentant un talon annulaire (16) prolongé axialement par des portions en saillie (18) définissant entre elles des alvéoles (15) pour les billes, débouchant radialement de part et d'autre de la cage, caractérisé par le fait que la cage a été réalisée à partir d'un matériau métallique et que la surface de chaque alvéole (15) coopérant avec une des billes est définie par un cylindre fictif d'axe orienté radialement et coupé par le plan délimitant axialement la cage du côté opposé au talon (16) de façon à former une ouverture axiale de l'alvéole, la largeur de cette ouverture étant inférieure au diamètre des billes.

2. Palier selon la revendication 1 dans lequel l'épaisseur radiale du 15 talon (16) de la cage est supérieure à l'épaisseur radiale des extrémités libres desdites portions en saillie (18).

3. Palier selon l'une des revendications précédentes dans lequel le diamètre extérieur (D1) des portions en saillie (18) lorsque le palier est immobile, est inférieur au diamètre extérieur (D) du talon (16) et supérieur 20 au diamètre primitif (Dp) du palier correspondant au diamètre du cercle parcouru par le centre des billes (3) lors du fonctionnement du palier.

4. Palier selon l'une des revendications précédentes dans lequel la longueur axiale desdites portions en saillie (18) est inférieure au diamètre des billes. 25

5. Palier selon l'une des revendications précédentes dans lequel la largeur de l'ouverture axiale des alvéoles (15) est comprise entre 92% et 97% du diamètre des billes.

6. Palier selon l'une des revendications précédentes dans lequel lesdites portions en saillie (18) présentent des fentes ou des encoches 30 axiales (21) entre les alvéoles (15).

7. Palier selon la revendication 6 dans lequel les fentes ou les encoches (21) s'étendent sur une longueur axiale comprise entre 20% et 60% de la longueur axiale desdites portions en saillie (18).

8. Palier selon l'une des revendications précédentes dans lequel le talon (16) et les portions en saillie (18) se raccordent par un arrondi (19).

9. Palier selon l'une des revendications précédentes dans lequel la cage est centrée sur la bague intérieure du palier avec un jeu radial entre la cage (4) et ladite bague (2) compris entre 0,1 et 0,4 mm.

10.Palier selon l'une des revendications précédentes dans lequel la cage a été réalisée à partir d'un matériau choisi parmi les alliages cuivreux tels que le bronze, notamment CuSn8P, le laiton, notamment CuZn4OMnlPb et les aciers, notamment du type AMS 6415, éventuellement muni d'un revêtement antifriction tel qu'un revêtement à base d'argent.

11.Cage de retenue pour des billes d'un palier à roulement, comprenant un talon annulaire (16) prolongé axialement par des portions en saillie (18) définissant entre elles des alvéoles (15) pour les billes, débouchant radialement de part et d'autre de la cage, caractérisée par le fait qu'elle a été réalisée à partir d'un matériau métallique et que la surface de chaque alvéole (15) destinée à coopérer avec une des billes est définie par un cylindre fictif d'axe orienté radialement et coupé par le plan délimitant axialement la cage du côté opposé au talon (16) de façon à former une ouverture axiale de l'alvéole, la largeur de cette ouverture étant inférieure au diamètre dudit cylindre fictif.

12.Cage selon la revendication 11 dans laquelle l'épaisseur radiale du talon (16) est supérieure à l'épaisseur radiale des extrémités libres (17) desdites portions en saillie (18).

13.Cage selon l'une des revendications 11 ou 12 dans laquelle la longueur axiale desdites portions en saillie (18) est inférieure au diamètre dudit cylindre fictif.

14.Cage selon l'une des revendications 11 à 13 dans laquelle lesdites portions en saillie présentent des fentes ou des encoches axiales (21) entre les alvéoles (15).

15. Cage selon l'une des revendications 11 à 14 dans laquelle le talon (16) et les portions en saillie (18) se raccordent par un arrondi (19).

16. Cage selon l'une des revendications 11 à 15 réalisée à partir d'un matériau choisi parmi les alliages cuivreux tels que le bronze,notamment CuSn8P, le laiton, notamment CuZn4OMnlPb et les aciers, notamment du type AMS 6415, éventuellement muni d'un revêtement antifriction tel qu'un revêtement à base d'argent.