Exercice — remplacer deux coussinets usés : quatre décisions à chiffrer
Le guidage en rotation de l'arbre de sortie d'un réducteur est assuré aujourd'hui par deux coussinets en bronze, aux paliers A et B. L'usure impose de les remplacer par des roulements. Toutes les données utiles sont écrites ci-dessous : il n'y a aucun dessin à lire.
- Fréquence de rotation de l'arbre : N = 750 tours par minute. Le carter est fixe et les charges gardent une direction fixe dans l'espace.
- Une roue dentée conique est calée en bout d'arbre, en porte-à-faux, au-delà du palier A.
- Palier A : charge radiale Fr(A) = 2 400 N ; charge axiale Fa = 1 800 N — toute la charge axiale passe par A. Portée d'arbre Ø 30, alésage du carter Ø 62.
- Palier B : charge radiale Fr(B) = 900 N ; aucune charge axiale. Ce palier doit rester libre axialement.
- Extrait de catalogue, à utiliser tel quel : alésage d'une bague intérieure Ø 30 : 0 / −0,010 mm ; diamètre extérieur d'une bague extérieure Ø 62 : 0 / −0,013 mm.
- Ajustements disponibles : arbre Ø 30 k6 : +0,002 / +0,015 mm ; arbre Ø 30 g6 : −0,007 / −0,020 mm ; alésage Ø 62 H7 : 0 / +0,030 mm ; alésage Ø 62 P7 : −0,012 / −0,042 mm.
- Types au catalogue : billes à gorge profonde (BC) ; rouleaux cylindriques (NU), à bagues séparables, qui ne transmet aucun effort axial ; billes à contact oblique (BT), à poser par paire ; butée à billes, qui ne reprend qu'un effort axial.
- Lubrification : la graisse convient tant que N × dm ≤ 300 000 (N en tours par minute, dm en mm), avec dm = (d + D)/2.
- Pour chaque palier, calculer le quotient Fa/Fr et choisir le type de roulement. Justifier par la nature et la direction de la charge — non par le diamètre de la portée.
- Le catalogue distingue, pour une paire de roulements BT, le montage en O et le montage en X. Expliquer pourquoi cette question ne se pose ni pour un roulement NU ni pour une butée à billes.
- Dire laquelle des deux bagues tourne alors que la charge garde une direction fixe — c'est la bague dite tournante vis-à-vis de la charge —, puis choisir dans la liste ci-dessus l'ajustement de la portée d'arbre et celui de la portée d'alésage du palier A. Justifier chaque choix par le risque qu'il écarte.
- Calculer, au palier A et pour les ajustements retenus, le serrage minimal et le serrage maximal entre l'arbre et la bague intérieure, puis le jeu minimal et le jeu maximal entre la bague extérieure et l'alésage.
- Combien d'obstacles axiaux la bague tournante réclame-t-elle, et combien d'arrêts la bague fixe ? Proposer, pour le palier A, une combinaison d'éléments normalisés (épaulement d'arbre, entretoise, anneau élastique, écrou à encoches avec rondelle frein, épaulement d'alésage, couvercle) capable de faire passer les 1 800 N, et dire pourquoi l'anneau élastique seul n'est pas retenu du côté chargé.
- Calculer dm et le produit N × dm au palier A, conclure entre graisse et huile, puis nommer l'élément d'étanchéité à placer à la traversée du carter en précisant ce qu'il retient et ce qu'il interdit d'entrer.
Voir la correction commentéeAprès avoir posé votre démarche
Idée : les six questions ne sont pas six sujets : c'est une seule chaîne de décisions, et chaque maillon se décide sur une donnée précise — le quotient Fa/Fr, la bague qui tourne par rapport à la charge, le sens des efforts axiaux, le produit N × dm.
1. Type de roulement. Palier A :
La charge est combinée, avec une composante axiale qui vaut les trois quarts de la radiale, et la roue conique en porte-à-faux ajoute un moment de renversement. Le type qui reprend simultanément du radial, de l'axial et un basculement est le roulement à billes à contact oblique (BT), posé par paire pour tenir les deux sens de l'effort axial. Palier B : Fa/Fr(B) = 0/900 = 0 — charge purement radiale, et le palier doit rester libre axialement ; le type qui porte 900 N de radial en laissant l'arbre coulisser est le roulement à rouleaux cylindriques NU, dont les bagues séparables autorisent le déplacement axial. Un roulement BC y conviendrait aussi, à condition de laisser sa bague extérieure libre de glisser dans l'alésage.
2. Pourquoi O ou X ne se pose que pour les BT. Un roulement à contact oblique travaille suivant une ligne d'action inclinée : son point d'appui effectif n'est pas dans son plan médian, et deux roulements de ce type peuvent être posés dos à dos ou face à face. C'est ce choix d'orientation qu'on appelle montage en O ou montage en X. Un roulement NU a une ligne d'action strictement radiale — il n'y a pas d'orientation à choisir, et il ne reprend aucun effort axial. Une butée à billes travaille suivant l'axe seul, sur une face, et ne guide pas radialement : elle s'ajoute à un palier, elle ne s'apparie pas avec une seconde butée pour former un guidage.
3. Bague tournante et ajustements. L'arbre tourne, le carter est fixe et la charge garde une direction fixe : la bague intérieure est tournante par rapport à la direction de la charge, la bague extérieure est fixe par rapport à elle. Une bague tournante par rapport à la charge doit être serrée — sinon elle avance lentement dans son logement (laminage de la portée, usure, échauffement). D'où, pour la portée d'arbre, l'ajustement k6 (+0,002 / +0,015) et non g6 qui laisserait du jeu. La bague extérieure, fixe par rapport à la charge, se monte glissante : H7 (0 / +0,030), qui permet le montage, laisse passer la dilatation et, au palier libre, autorise le déplacement axial. P7 la serrerait dans le carter et bloquerait cette liberté.
4. Serrage et jeu au palier A. Arbre k6 : 30,002 à 30,015 ; alésage de la bague intérieure : 29,990 à 30,000.
Le serrage reste positif dans tous les cas : la bague intérieure est tenue quelles que soient les dispersions d'usinage. Alésage H7 : 62,000 à 62,030 ; diamètre extérieur de la bague extérieure : 61,987 à 62,000.
Le jeu ne devient jamais un serrage : au pire les deux pièces sont juste en contact, au mieux il reste 0,043 mm — assez pour glisser, trop peu pour laisser la bague se déplacer radialement sous charge.
5. Obstacles et arrêts. La bague tournante (intérieure) demande 4 obstacles — deux par roulement, un de chaque côté — et la bague fixe (extérieure) 2 arrêts seulement, puisqu'il suffit d'immobiliser l'ensemble dans les deux sens. Au palier A : bague intérieure arrêtée d'un côté par un épaulement d'arbre, de l'autre par un écrou à encoches avec rondelle frein, qui est l'élément capable de transmettre les 1 800 N et de serrer l'empilage ; bague extérieure arrêtée par l'épaulement d'alésage d'un côté et le couvercle de l'autre. L'anneau élastique n'est pas retenu du côté chargé parce que sa gorge entaille l'arbre à l'endroit même où passe l'effort, que sa portée d'appui est étroite et que sa capacité axiale est faible : il convient à un arrêt peu sollicité, pas à 1 800 N.
6. Lubrifiant et étanchéité. Diamètre moyen et facteur de fonctionnement :
On est à moins du huitième de la limite : la graisse convient, avec l'avantage de participer elle-même à l'étanchéité et de dispenser d'un carter d'huile. À la traversée du carter on place un joint à lèvres, lèvre tournée vers l'intérieur : il retient la graisse et interdit l'entrée des poussières et de l'humidité. Sa portée est tolérancée et soignée comme celles des roulements — une portée rugueuse tue la lèvre en quelques heures.