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Paliers à billes

La Nature N°1082 — 24 février 1894

jeudi 14 octobre 2010, par gloubik

Bien que d’invention fort ancienne, les paliers à billes n’ont reçu tout d’abord qu’un nombre fort restreint d’applications, et leur développement industriel ne date véritablement que du. jour où on l’utilisa pour la construction des vélocipèdes et surtout des bicyclettes. Cela tient à ce que la fabrication des billes et leur emploi offrent des difficultés spéciales aujourd’hui vaincues, grâce am ! progrès de la fabrication mécanique et de la métallurgie. On se rendra compte de ces difficultés par l’énumération des principales qualités qu’elles doivent présenter : les billes doivent être rigoureusement égales, parfaitement sphériques et présenter une dureté considérable pour résister aux efforts et aux frottements qu’elles subissent. Aussi, pendant plusieurs années, a-t-on préféré des cylindres de roulement aux billes de roulement, la construction d’un cylindre étant incomparablement plus facile que celle des billes.

Aujourd’hui, la construction des billes pour paliers est devenue une industrie spéciale d’une certaine importance dont il nous a paru intéressant de signaler à grands traits les procédés employés en Angleterre et en Amérique.

En Angleterre, c’est l’Auto-Machinery Co, de Coventry, qui s’est fait une spécialité de la construction de ces billes, et qui les construit pour des diamètres variant entre 3 millimètres et 2 pouces (50,8 millimètres), dans un atelier dont on pourra apprécier l’importance en jetant un coup d’œil sur la figuré 1 ci-dessus que nous empruntons à notre confrère Engineering, et qui est reproduite d’après une photographie.

Les billes sont fabriquées avec des tiges d’acier d’un diamètre un peu supérieur à celui des billes à obtenir. Cet acier est du meilleur acier au creuset à grain fin connu sous le nom d’acier diamant et dont le prix dépasse 200 francs par 100 kilogrammes.

La machine est entièrement automatique dans son action ; il suffit d’y introduire à la main de nouvelles tiges pour remplacer les tiges travaillées, là machine s’arrêtant d’elle-même dès que la matière ouvrable fait défaut, Cette première machine coupe les billes. et les tourne sphériquement avec une précision de trois millièmes de pouce (7 à 8 centièmes de millimètre). L’atelier représenté dans notre gravure renferme 150 machines à tailler les billes. Après le dégrossissage, les billes sont apportées dans l’atelier de finissage où elles sont ajustées à 1/2000e de pouce.

Après le finissage vient la trempe qui demande des soins tout particuliers. Cette trempe est faite sous l’œil d’un opérateur exercé qui, placé dans une salle dont l’éclairage est uniforme et constant, juge de la température des billes avant de les plonger dans l’eau. La dernière opération est le polisssage qui se fait au rouge d’Angleterre ; cette opération donne aux billes une belle surface, qualité indispensable pour obtenir un roulement parfait, sans frottement.

Pendant toute la fabrication, les diamètres des billes sont soigneusement vérifiés à l’aide de machines automatiques constituées en principe par deux barres d’acier trempé placées à une certaine distance, égale à celle du diamètre des billes à vérifier. On fait rouler les billes sur ces deux barres, et toutes celles qui sont trop grosses roulent jusqu’à l’extrémité des barres et tombent dans une boite spéciale. On élimine ainsi toutes les billes trop grosses. Les billes restantes passent dans une seconde machine dont l’écartement de barres est plus petit de 1/1000e de pouce (0,025 millimètre). Cette machine retient ainsi les billes comprises entre les deux diamètres correspondant aux écartements normaux des règles des deux machines et laisse tomber les billes plus petites.

Lorsque les billes sont ainsi classées, elles subissent un dernier examen microscopique afin d’éliminer toutes celles qui présenteraient le moindre défaut et que le polissage n’aurait pas révélé.

Cette fabrication est accessoirement accompagnée d’une autre non moins importante, relative à l’outillage de précision considérable, utilisé dans cette nouvelle industrie. L’acier qui constitue les outils tranchants est identiquement le même que celui servant à la fabrication des billes.

Cette industrie ne produit pas moins de 80000 billes par jour : la plupart de ces billes sont, naturellement, d’un faible diamètre, mais les billes d’un assez gros diamètre sont de plus en plus demandées, il mesure que la fabrication se développe et que les applications se multiplient.

Quant au prix, il varie depuis 3 francs la grosse pour les billes de 3 millimètres jusqu’à 100 francs la grosse pour des billes de 25 millimètres de diamètre,

En Amérique, les procédés de fabrication et les modes d’emploi sont un peu différents, si l’on s’en rapporte à une communication faite en avril dernier devant le Franklin lnstitute par M. George F. Simonds. La matière première est de l’acier Bessemer renfermant 1 dixième pour 100 de carbone et coûtant 25 francs les 100 kilogrammes, au lieu de l’acier à outils renfermant de 3 à 15 dixièmes pour 100 de carbone et coutant jusqu’à 100 francs les 100 kilogrammes. Il est vrai qu’il s’agit ici de bille, plus petites, plus spécialement destinées aux axes légers ; le diamètre de ces billes varie entre un demi et six millimètres.

Un traitement métallurgique spécial permet l’emploi de cet acier de qualité plus ordinaire, mais l’exposé du procédé, dont tous les détails ne sont pas encore publiés d’ailleurs, sortirait de notre cadre. Nous préférons dire quelques mots, des expériences entreprises par M. Simonds pour déterminer l’économie réalisée au point de vue des pertes par frottement en substituant des paliers à billes aux paliers ordinaires. Ces expériences ont démontré que le frottement est treize fois moins considérable qu’avec les meilleurs paliers à coussinets connus.

Les essais ont été faits sur un arbre de 5 centimètres de diamètre avec des billes de 9 millimètres de diamètre. Le palier à coussinets soumis à un poids de 90 kilogrammes n’a pas pu supporter une vitesse angulaire dépassant 1000 tours par minute par suite de l’échauffement, tandis qu’un palier à billes a pu, à 1000 tours par minute, supporter 1300 kilogrammes sans aucun échauffement. Au point de vue de la résistance, trois billes de 9 millimètres de diamètre ont supporté sans écrasement une charge statique de 26 tonnes par bille, chiffre qui paraît excessif.

Les mêmes billes roulant entre des surfaces planes parallèles ont supporté plus de 1100 kilogrammes par bille.

Quant aux applications des roulements à billes, elles sont déjà fort nombreuses et variées : nous citerons en particulier la construction des bicyclettes qui les emploie presque exclusivement, les axes de voitures, les tours, les moteurs, les machines à percer, etc. Les figures 2, 3 et 4 montrent quelques-unes de ces applications ainsi que les formes données aux coussinets dans lesquels roulent les billes, suivant les applications.

La figure 2 se rapporte à un coussinet pour axe de dynamos ou autres appareils à grande vitesse angulaire. La figure 3 montre, en 1 et 2, des coussinets ordinaires, et en 5, une disposition spéciale pour axes de voiture.

Nous signalerons plus spécialement trois applications dont deux déjà réalisées, et une troisième qui, si elle était possible, donnerait un nouvel essor et ferait réaliser de sérieuses économies à la navigation à vapeur. La première application est relative à une vis d’ascenseur imaginée par M. Charles A. Lieb, et qui présente véritablement une grande originalité (fig. 4). Le frottement de la vis dans son écrou est remplacé par le roulement de plus de 200 billes de 12,5 millimètres de diamètre, chacune d’elles supportant une poussée qui ne dépasse pas 25 à 30 kilogrammes, Arrivées à une extrémité, les billes suivent un canal longitudinal ménagé dans l’écrou et reviennent à la partie antérieure pour être utilisées à nouveau. Le frottement est considérablement réduit, grâce à cette ingénieuse disposition, si réduit que la vis tourne dans son écrou sous l’action de son propre poids, fait très remarquable lorsqu’on tient compte de la faiblesse du pas. Une disposition analogue a été employée pour la commande des engrenages par vis sans fin ou des vis sans fin par engrenages, et réalisée récemment en Amérique avec un plein succès. La troisième application, celle que nous voulons suggérer, et sur laquelle les chiffres nous font défaut pour en apprécier la possibilité, est la substitution de coussinets à .billes aux coussinets ordinaires pour les paliers de butée des arbres d’hélice des grands bateaux à vapeur. Tous ceux qui ont voyagé sur un transatlantique savent que le palier de butée des hélices est continuellement refroidi par une injection d’eau de mer sous pression, afin d’éviter son échauffement. Il y a là une perte de puissance que nous ne saurions chiffrer, mais qui est certainement importante et pourrait probablement être considérablement réduite par des roulements à billes, en utilisant, bien entendu, les plus grosses que l’industrie dont nous venons de signaler les progrès sache produire. Il n’y a aucune raison de croire qu’un dispositif mécanique qui donne de si bons résultats pour les axes de bicyclettes et les vis d’ascenseurs, ne puisse être utilement appliqué, dans de plus vastes proportions, dans des circonstances où il n’y a pas de petites économies ni de petits perfectionnements.

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