FR3145196A1 - Cage en matériaux composites pour roulement. - Google Patents

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Abstract

La cage (2) pour palier à roulement est destinée à assurer l’espacement circonférentiel d’au moins une rangée d’éléments roulants et comprenant une pluralité d’alvéoles (3) pour accueillir les éléments roulants de ladite rangée. La cage est réalisée en matière synthétique renforcée de fibres et qui présente une température de transition vitreuse égale ou supérieure à 120°C. Référence : Figure 2

Description

Cage en matériaux composites pour roulement. Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne les cages pour roulements à éléments roulants, ainsi que les roulements munis de ces cages et de ces éléments roulants. L’invention concerne encore des procédés d’obtention de ces cages.
 Etat de la technique antérieure
Les roulements à éléments roulants sont des composants destinés au guidage en rotation de diverses pièces mécaniques. Ces roulements comprennent généralement une bague intérieure et une bague extérieure, les éléments roulants étant disposés entre les bagues. Les éléments roulants, qui peuvent être des billes, des rouleaux cylindriques, des rouleaux coniques, des aiguilles, sont maintenus par une cage.
Classiquement, les cages sont réalisées monoblocs par moulage d’une matière synthétique. Pour conférer à une cage une résistance mécanique suffisante, la matière synthétique comprend généralement une matrice dans laquelle sont noyées des fibres. La matrice peut par exemple être une résine phénolique et les fibres des fibres en coton.
Une telle cage réalisée en matière synthétique est légère, peu coûteuse à fabriquer, et permet un bon maintien des éléments roulants. En conséquence, les roulements équipés de ces cages donnent généralement satisfaction. Cela signifie notamment que, pour un usage courant, les roulements présentent une durée de vie suffisante, et conservent l’essentiel de leurs propriétés mécaniques, comme la précision de guidage.
Il a cependant été observé que les performances d’un roulement équipé d’une telle cage synthétique sont altérées dans certaines conditions d’utilisation.
Tout d’abord si un roulement est soumis à des vitesses de rotation très élevées, comme c’est le cas par exemple pour certaines broches de machines-outils, la cage peut se détériorer parfois jusqu’à la rupture. En effet les vitesses de rotation élevées provoquent des élévations de température. Les températures excessives amènent une diminution de la résistance mécanique de la cage, notamment de sa rigidité. Ce phénomène a lieu aux alentours de la température de transition vitreuse de la matrice, qui est notamment de 80°C pour la résine phénolique, où les propriétés mécaniques fondamentales sont réduites. Cette valeur de température de transition vitreuse est un seuil de transition vitreuse. De plus les vitesses de rotation élevées génèrent de fortes contraintes, en particulier par la force centrifuge, ce qui augmente le risque de dégradation ou de rupture de la cage.
Une autre condition qui peut conduire à une altération de la cage est un niveau excessif d’humidité, c’est-à-dire un niveau au-delà du taux nominal ou taux moyen généralement observé. Ce niveau peut être dû à un temps pluvieux, un environnement d’utilisation spécifique, un lubrifiant plus ou moins aqueux, ou autre. En fait la matrice de la cage est capable de retenir une certaine quantité d’eau. Il s’agit d’un phénomène de rétention qui est d’autant plus marqué que le taux d’humidité est élevé. Mais plus la cage retient d’eau, plus elle se déforme. Il arrive parfois que la déformation soit excessive et que les tolérances de fabrication ne soient de fait plus respectées. Il s’ensuit une détérioration plus rapide de la cage.
A l’inverse, une altération de la cage peut aussi se produire à un niveau insuffisant d’humidité, c’est-à-dire en dessous du taux nominal ou taux moyen généralement observé. Ce niveau peut être dû à un temps très sec, un environnement d’utilisation spécifique, une lubrification insuffisante, ou autre. Si elle ne retient pas suffisamment d’eau, c’est-à-dire en pratique si son taux d’humidité a trop baissé, elle est à nouveau dans des conditions de déformation qui peuvent la faire sortir du champ des tolérances de fabrication. Là encore on observe une détérioration plus rapide de la cage.
Les cages utilisées classiquement sont trop sensibles au taux d’humidité ambiant, et se détériorent trop vite si les températures d’utilisation du roulement sont élevées.
Résumé de l’invention,
Un but général de l’invention est d’améliorer la durée de vie des cages en matière synthétique pour roulements à éléments roulants. Notamment, il s’agit de préserver les propriétés mécaniques des cages pour la majeure partie des conditions d’utilisation d’un roulement.
Plus précisément l’invention souhaite réduire, voire supprimer, l’influence du taux d’humidité dans lequel travaille un roulement.
L’invention veut aussi permettre à un roulement de fonctionner dans des conditions de température élevées.
Pour ce faire l’invention propose une cage pour palier à roulement destinée à assurer l’espacement circonférentiel d’au moins une rangée d’éléments roulants, la cage comprenant une pluralité d’alvéoles pour accueillir les éléments roulants de ladite rangée et étant réalisée en matière synthétique renforcée de fibres. Selon l’invention, la matière synthétique présente une température de transition vitreuse égale ou supérieure à 120°C.
Il est rappelé qu’en dessous de sa température de transition vitreuse, la matière synthétique conserve ses propriétés mécaniques comme la dureté ou la rigidité. Cependant, au-delà de la température de transition, la matière synthétique devient beaucoup plus flexible, voire viscoélastique. Par conséquent avec l’invention le roulement peut être soumis à des vitesses de rotation élevées, car la température d’échauffement qui en résulte d’après ce qu’a déterminé la demanderesse, qui est de l’ordre de 80°C à 120°C, ne dépasse pas la température de transition. La cage conserve ses propriétés mécaniques et sa forme est beaucoup plus stable. Les dimensions de la cage restent dans les tolérances de fabrication.
Dans un mode de réalisation de l’invention, la matière synthétique est une résine époxy dont la température de transition vitreuse est comprise entre 130°C et 200°C. Ce point de transition vitreuse élevé est particulièrement intéressant, car non seulement il permet une utilisation dans une large gamme de températures au sens habituel du terme, mais il constitue aussi un niveau de sécurité supplémentaire en cas d’échauffement ponctuel qui pourrait survenir à cause d’une anomalie ou autre.
Avantageusement, les fibres sont continues, c’est-à-dire placées couches par couches, par opposition à des fibres coupées ou hachées. Cela permet une répartition uniforme de ces dernières. Un autre aspect avantageux de l’invention est de placer les fibres selon une direction circonférentielle. Il en résulte une plus grande homogénéité de structure de la cage et une plus grande rigidité.
Dans un mode de réalisation particulier, les fibres comprennent des fibres de carbone. Alternativement ou en combinaison, les fibres peuvent comprendre des fibres de verre, permettant une réduction du coût de la cage, et/ou des fibres de Kevlar®, et/ou des fibres de lin, et/ou des fibres de Vectran®, afin d’améliorer les propriétés vibratoires de la cage.
L’invention concerne aussi un palier à roulement comprenant une cage telle que définie précédemment. L’invention concerne également un procédé de fabrication de cages pour paliers à roulements réalisées en matière synthétique renforcée de fibres et comprenant une pluralité d’alvéoles, le procédé comprenant :
- une étape de réalisation d’une préforme cylindrique de tube par enroulement sur un mandrin des fibres continues pré-imprégnées de la matière synthétique dont la température de transition vitreuse est égale ou supérieure à 120°C,
- une étape de moulage et de polymérisation du tube, et
- une étape de découpe du tube obtenu pour obtenir des anneaux aux dimensions des cages.
A l’issue de cette dernière étape, les diamètres externe et interne de la cage sont aux dimensions requises. Il n’est alors pas nécessaire d’effectuer d’étape d’usinage sur ces diamètres. Il est possible de prévoir une étape finale de polissage des surfaces internes et externes de la cage, afin de retirer les particules libres ainsi que d’optimiser la rugosité. Ensuite la cage est lavée pour assurer une livraison sans particule de fibre ou de résine.
La réalisation de la préforme peut par exemple faire appel à des techniques de bobinage et d’enroulement conventionnel. Le moulage peut se faire dans un moule en deux parties ou plus, lesquelles une fois jointes délimitent un volume cylindrique pour l’accueil de la préforme sur la forme. Le tube peut être découpé par une scie automatique, par un tour conventionnel ou à commande numérique, par jet d’eau à haute pression, ou tout autre moyen approprié.
Selon un mode de mise en œuvre, le procédé comprend en outre une étape de formation d’alvéoles sur les anneaux découpés pour obtenir les cages.
Alternativement, il pourrait être possible de former les alvéoles après l’étape de moulage et de polymérisation, mais avant l’étape de découpe du tube.
Cette étape de formation des alvéoles peut par exemple être réalisée par usinage.
Selon un autre mode de mise en œuvre, le procédé comprend une étape de formation des alvéoles lors de l’étape de moulage et de polymérisation du tube.
Pour ce faire, il est possible dans l’étape de réalisation de la préforme d’utiliser un mandrin équipé de rangées circonférentielles de saillies s’étendant radialement vers l’extérieur, chaque rangée comprenant une pluralité de saillies espacées les unes par rapport aux autres dans le sens circonférentiel, les rangées étant espacées axialement les unes par rapport aux autres.
Les alvéoles sont ainsi obtenues directement par préformage puis moulage. Il peut néanmoins, pour certaines applications nécessitant une très grande précision, être prévu une étape de finition des alvéoles par enlèvement de matière ou par sur-injection de matière.
Selon un mode de mise en œuvre particulier, au moins une partie des fibres, ou la totalité des fibres, forme un angle non nul par rapport à l’axe de la forme cylindrique. Les fibres sont par exemple mises en place par bobinage, ce qui apporte une régularité de leur répartition, et par suite une homogénéité dimensionnelle dans des séries de cages.
Selon un mode de mise en œuvre particulier, les fibres peuvent être en carbone et la matière synthétique est une résine époxy qui présente une température de transition vitreuse comprise entre 130°C et 200°C. Le niveau élevé du point de transition vitreuse apporte une stabilité mécanique des cages pour toutes les utilisations, conventionnelles ou extrêmes. Les fibres de carbone rendent la cage très résistance mécaniquement, et aussi très légère.
De manière complémentaire, une couche de matière synthétique thermodurcissable peut être disposée en périphérie du tube.
Il peut s’agir par exemple d’un polyuréthane, ou de tout matériau équivalent. Ce type de matériau confère à la cage des propriétés d’amortissement. En conséquence les vibrations et les bruits de fonctionnement sont réduits.
 Brève description des figures
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de modes de réalisation non limitatifs, en référence aux figures annexées, pour lesquelles :
est une vue de côté d’un tube obtenu par enroulement de fibres sur un mandrin pour la fabrication de cages selon un premier mode de mise en œuvre de l’invention,
est une vue en perspective d’une cage pour palier à roulement à éléments roulants obtenue selon le mode de réalisation de la , et
est une vue en perspective qui correspond à un autre mode de mise en œuvre du procédé de réalisation de l’invention.
 Description détaillée de l’invention
Sur la on a représenté de manière schématique un tube creux 1, d’axe longitudinal L1.
Ce tube creux 1 est obtenu à partir d’une préforme cylindrique du tube 1 qui est elle-même réalisée par enroulement sur un mandrin de fibres continues pré-imprégnées d’une matière synthétique dont la température de transition vitreuse est égale ou supérieure à 120°C.
Par exemple, les fibres sont disposées sous formes de couches par des techniques comme le bobinage, l’enroulement d’un tissu de fibres, ou tout équivalent. L’orientation des fibres de chaque couche et le nombre de couches superposées sont déterminées en fonction des caractéristiques structurelles et vibratoires souhaitées de la cage à fabriquer.
Les fibres sont de préférence des fibres de carbone. Alternativement ou en combinaison, les fibres peuvent comprendre des fibres de verre, de Kevlar®, de lin, de Vectran®, ou autre. Les fibres peuvent ainsi être utilisées seules ou en combinaison. Tout dépend des propriétés mécaniques recherchées, et aussi des contraintes économiques.
La matière synthétique est de préférence une résine époxy dont la température de transition vitreuse est comprise entre 130°C et 200°C.
Ensuite, après cette première étape de réalisation de la préforme, il est réalisé une étape de moulage et de polymérisation du tube 1 dans des conditions particulières de température et de pression adaptées au matériau composite utilisé. Cela confère au tube 1 toutes ses propriétés, notamment la stabilité de forme et la résistance mécanique.
Pour plus de détails sur les étapes de réalisation de la préforme et de moulage et de polymérisation, on pourra se référer à la demande de brevet FR 3 053 624 incorporée par référence.
À partir d’un tube 1 obtenu, il est prévu une étape de découpage pour obtenir des anneaux aux dimensions des cages à former.
Ensuite, il est prévu une étape de formation d’alvéoles sur les anneaux découpés, par exemple par perçage, pour obtenir des cages 2, d’axe longitudinal L2, dont l’une d’elles est visible sur la . Dans l’exemple de réalisation illustré, la cage 2 comprend des alvéoles 3 de forme circulaire qui sont adaptées pour accueillir des billes. Alternativement, les alvéoles peuvent présenter différentes formes pour accueillir des éléments roulants autres que des billes, par exemple des rouleaux.
Alternativement, les alvéoles peuvent être formées sur le tube 1 après l’étape de moulage et de polymérisation et avant l’étape de découpe en anneaux.
Grâce au ou aux matériaux qui la composent, la cage 2 présente des propriétés qui permettent une utilisation dans des conditions difficiles, comme des températures élevées, des taux d’humidité élevés, ou des taux d’humidité particulièrement bas. En fait la cage 2 reste stable d’un point de vue dimensionnel, elle résiste à la chaleur et aux variations importantes du taux d’humidité.
Comme indiqué précédemment, un exemple très intéressant de matériau pour les fibres de la cage 2 est le carbone, lequel apporte notamment de la rigidité et de la légèreté, combiné à une résine époxy ayant une température de transition vitreuse comprise entre 140°C et 160°C.
Une variante de réalisation est illustrée à la . Le mandrin comprend ici un cylindre 12, d’axe L4, et un manchon 11 monté sur le cylindre et pourvu de saillies 13 s’étendant radialement vers l’extérieur. Dans l’exemple de réalisation illustré, chaque saillie 13 est un plot circulaire d’axe radial L5, prévu pour obtenir une cage équipée d’alvéoles circulaires.
Les saillies 13 sont agencées sous formes de rangées circonférentielles, chaque rangée comprenant une pluralité de saillies espacées les unes par rapport aux autres dans le sens circonférentiel. Les rangées étant espacées axialement les unes par rapport aux autres.
Dans cette variante, les fibres sont enroulées sur le mandrin équipé des saillies 13 pour obtenir la préforme du tube 14. Les alvéoles sont ainsi formées lors de l’étape de moulage et de polymérisation suivante.
Ensuite, le procédé comprend ensuite une étape de séparation du cylindre 12 et du manchon 11 couvert par le tube 14 polymérisé, et une étape de découpe du tube 14 en anneaux constituant chacun une cage.
Après la découpe de la cage, la cage peut être introduite dans un moule d’injection pour procéder à une sur-injection du squelette. Cela permet l’obtention de la forme exacte de la cage, alvéoles, diamètre interne et externe dans le but de réduire les coûts occasionnés par l’usinage de la matière du squelette.
Pour faciliter l’étape de séparation du cylindre 12 et du manchon 11, celui-ci est de préférence déformable élastiquement.

Claims (10)

  1. Cage (2) pour palier à roulement destinée à assurer l’espacement circonférentiel d’au moins une rangée d’éléments roulants, la cage (2) comprenant une pluralité d’alvéoles (3) pour accueillir les éléments roulants de ladite rangée et étant réalisée en matière synthétique renforcée de fibres, caractérisée par le fait que la matière synthétique présente une température de transition vitreuse égale ou supérieure à 120°C.
  2. Cage (2) selon la revendication 1, dans laquelle la matière synthétique est une résine époxy dont la température de transition vitreuse est comprise entre 130°C et 200°C.
  3. Cage (2) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les fibres sont continues.
  4. Cage (2) selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle les fibres comprennent des fibres de carbone.
  5. Cage (2) selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle les fibres comprennent des fibres de Kevlar®, et/ou des fibres de lin, et/ou des fibres de Vectran®.
  6. Palier à roulement comprenant une cage (2) selon l’une des revendications 1 à 4.
  7. Procédé de fabrication de cages pour paliers à roulements réalisées en matière synthétique renforcée de fibres et comprenant une pluralité d’alvéoles, le procédé comprenant :
    - une étape de réalisation d’une préforme cylindrique de tube par enroulement sur un mandrin des fibres continues pré-imprégnées de la matière synthétique dont la température de transition vitreuse est égale ou supérieure à 120°C,
    - une étape de moulage et de polymérisation du tube, et
    - une étape de découpe du tube obtenu pour obtenir des anneaux aux dimensions des cages.
  8. Procédé selon la revendication 7, comprenant en outre une étape de formation d’alvéoles sur les anneaux découpés pour obtenir les cages.
  9. Procédé selon la revendication 7, dans lequel les alvéoles sont formées lors de l’étape de moulage et de polymérisation du tube.
  10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel, dans l’étape de réalisation de la préforme, le mandrin est équipé de rangées circonférentielles de saillies s’étendant radialement vers l’extérieur, chaque rangée comprenant une pluralité de saillies espacées les unes par rapport aux autres dans le sens circonférentiel et les rangées étant espacées axialement les unes par rapport aux autres.
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