Classes de tolérance d'arbre et de carter pour roulements : comment le choix de l'ajustement détermine le jeu interne

D'abord trancher : quelle bague tourne par rapport à la charge ?

Le choix de l'ajustement commence par une question : la direction de charge tourne-t-elle par rapport à la bague, ou la bague reste-t-elle sous la charge ?

Une bague qui tourne par rapport à la charge tend à ramper sur son siège si l'ajustement ne la retient pas ; le siège exige donc un ajustement avec serrage ou incertain.

Lorsque la direction de charge est fixe, la bague reste en place, et un ajustement avec jeu est acceptable, souvent même recherché parce qu'il laisse la bague se déplacer axialement. Les deux sièges sont traités dans des tableaux séparés.

Sur l'arbre, une charge de bague intérieure tournante appelle des classes avec serrage telles que h5, js5, js6, k5, k6, m5, m6, n6, p6 ou r6 selon la charge et le diamètre, tandis qu'une charge de bague intérieure fixe utilise g6 lorsque la bague doit se déplacer sans effort, et h6 sinon².

Dans le carter, les charges de bague extérieure fixe utilisent des classes avec jeu H7, H8, G7 ou F7, tandis qu'une charge de bague extérieure tournante prend M7, N7 ou P7⁵.

Les deux tableaux sont des fonctions du type de charge, du type de roulement et de la taille, si bien que la classe ne peut être déduite de la seule direction de charge²⁵. L'erreur coûte deux fois.

Un siège trop lâche laisse la piste tourner et fretter contre l'arbre ou le carter, et un siège qui ne soutient pas correctement la piste mince raccourcit la durée de vie et peut imposer la remise en état de l'arbre ou du carter avant le montage du roulement de remplacement¹¹.

Lire la classe d'arbre dans le tableau charge-diamètre

Pour une bague intérieure tournante, la classe d'arbre est tabulée en fonction de l'importance de la charge et du diamètre d'arbre, et l'ajustement est défini par rapport à la tolérance normale de l'alésage du roulement — la même classe littérale signifie donc un serrage absolu différent selon le diamètre²¹².

Le tableau ci-dessous couvre le cas de charge légère et normale pour les roulements à alésage cylindrique des classes 0, 6X et 6 ; une charge lourde ou de choc déplace la classe vers n6, p6 ou r6 et exige un roulement avec un jeu interne supérieur au standard². Deux assouplissements comptent.

Là où une haute précision est recherchée, js5, k5 et m5 remplacent js6, k6 et m6².

Pour les roulements à rouleaux coniques à une rangée et les roulements à billes à contact oblique, k5 et m5 peuvent être remplacés par k6 et m6, car la réduction du jeu interne due à l'ajustement n'y a pas besoin d'être prise en compte².

Lire la classe de carter dans le tableau charge-déplacement

La classe de carter dépend de la nécessité de laisser la bague extérieure déplaçable axialement, du type de charge et de la température de fonctionnement de l'arbre et de la bague intérieure. Une seule classe par défaut est donc erronée pour une bague extérieure tournante ou un arbre chaud⁵.

Lorsque la charge de bague extérieure est fixe et que la bague doit se déplacer facilement, H7 est le choix ordinaire ; G7 peut être appliqué pour un roulement de grande taille ou un grand écart de température entre bague extérieure et carter⁵.

Lorsque l'arbre et la bague intérieure fonctionnent chauds, la classe de carter passe à G7, avec F7 pour un roulement de grande taille ou un grand écart de température⁵.

Une charge de bague extérieure tournante n'est pas déplaçable et prend M7, N7 ou P7 selon la charge et l'épaisseur de la section du carter⁵.

Vérifier que le serrage ne consomme pas le jeu interne

Un ajustement avec serrage dilate la bague intérieure, et cette dilatation réduit le jeu interne fabriqué, c'est-à-dire le jeu d'atelier du roulement¹⁹. Un ajustement de carter serré produit le même effet par l'extérieur en comprimant la bague extérieure ; les deux réductions s'additionnent³.

Si la réduction n'est pas prise en compte, il peut ne rester assez de jeu d'atelier pour laisser un quelconque jeu de fonctionnement, et le roulement peut basculer dans le jeu négatif, le frottement excessif et la défaillance précoce³¹⁹. La réduction n'est pas simplement le serrage nominal.

Le serrage effectif se calcule comme les deux tiers du serrage nominal moins une dimension d'aplatissement, pour la bague intérieure comme pour la bague extérieure, et la variation de jeu qui en résulte dépend du serrage effectif, du diamètre d'arbre sollicité et de l'épaisseur de paroi de l'alésage du carter⁹.

C'est pourquoi la classe d'ajustement et la classe de jeu doivent être choisies ensemble et non l'une après l'autre.

Lorsque l'ajustement est serré, que la température de fonctionnement est durablement élevée ou que les vitesses dépassent la plage standard, une classe de jeu plus grande telle que C3 est le bon choix ; C4 est réservé aux températures exceptionnellement élevées, à un écart thermique significatif entre arbre et carter, aux carters à paroi mince ou à un désalignement sévère²⁰.

Un fournisseur cite C3 comme recommandation par défaut pour de nombreux moteurs industriels et réducteurs courants — c'est la position de ce fournisseur, non une règle valable pour toute application²⁰.

Écart de température et montage à côté libre

Le jeu se déplace aussi avec la température.

Lorsque la bague intérieure ou l'arbre doit fonctionner plus chaud et se dilater davantage que la bague extérieure ou le carter, le jeu du roulement diminue en service, si bien qu'un jeu radial plus grand est souhaité d'emblée ; si la bague extérieure se dilate davantage que la bague intérieure, le jeu augmente au contraire⁴.

La même logique gouverne la classe de jeu : C3 lorsque la température de fonctionnement est durablement élevée, les ajustements serrés ou les vitesses au-dessus du standard, et C4 lorsque l'écart thermique entre arbre et carter est significatif²⁰. Un roulement côté libre est l'autre moyen d'absorber ce mouvement.

Il compense la dilatation ou le retrait dus aux variations de température en service, et lorsqu'un roulement non séparable est utilisé côté libre, un ajustement avec jeu est prévu entre la bague extérieure et le carter, ou dans certains cas entre l'arbre et la bague intérieure²¹.

Cet ajustement avec jeu est une disposition thermique délibérée, non une version plus lâche de l'ajustement du côté fixe.

Borner le serrage par les deux extrémités

L'ajustement doit être assez serré pour empêcher la bague de ramper et assez lâche pour ne pas la surcontraindre.

Des ajustements corrects empêchent la rotation de la piste par rapport à l'arbre ou au carter et le fretting et le grippage qui s'ensuivent, et ils soutiennent les pistes relativement minces du roulement ; les tolérances d'arbre et de carter admissibles ne dépassent que légèrement celles des composants de roulement associés¹¹.

Le montage par pression de la bague intérieure ajoute à la contrainte circonférentielle dans la bague.

Pour un cas précis — un roulement à billes à contact oblique de 120 mm d'alésage, butée d'arbre principal en acier M50 pour turboréacteur — la source recommande que cette composante de contrainte circonférentielle due au serrage ne dépasse pas environ 140 MPa¹⁷.

Cette valeur provient d'une seule application aérospatiale à haute vitesse et n'est pas une limite générale de l'industrie ; considérez-la comme un rappel que le serrage maximal est borné par la contrainte dans la bague, et demandez au fournisseur de roulements la limite applicable à votre roulement.

Choisir une méthode de montage capable d'atteindre l'ajustement

Le serrage inscrit sur le plan doit pouvoir être atteint sans endommager la piste. Les roulements à alésage cylindrique sont en général montés par emmanchement forcé, ou par chauffage de la bague intérieure pour dilater son alésage avant l'assemblage — un montage par retrait²⁶.

Pour les roulements plus grands ou les serrages plus élevés, le montage à chaud réduit le risque d'endommagement de la piste pendant le pressage, et lorsque la bague extérieure exige un ajustement avec serrage, le roulement peut d'abord être refroidi à la glace carbonique, après application préalable d'un traitement antirouille²⁶.

L'outillage compte autant que la température. Presses à roulements, chauffages par induction ou presses hydrauliques doivent être employés selon le type de roulement et l'ajustement, et la force ne doit jamais s'appliquer directement sur les corps roulants — seulement sur la bague montée¹³.

Ce qu'il faut confirmer sur le plan avant la commande

Les ajustements s'écrivent comme des combinaisons lettre-chiffre telles que m6 et H7, où une minuscule désigne un diamètre extérieur d'arbre et une majuscule un alésage de carter, et chacun est défini par rapport à la tolérance normale de l'alésage ou du diamètre extérieur du roulement¹².

Comme ces tolérances normales croissent avec la taille du roulement, la même classe produit un ajustement absolu différent sur un roulement plus grand ; le plan est donc incomplet sans la classe de tolérance du roulement par rapport à laquelle il est défini¹².

Les sources ne donnent aucune valeur numérique de géométrie ou d'état de surface de siège, si bien qu'elles doivent être formulées comme points de vérification et non comme chiffres recopiés.

• ✓Indiquer la classe de tolérance du roulement par rapport à laquelle l'ajustement est défini, dans la désignation ISO, DIN, ANSI/ABEC ou JIS utilisée par le fournisseur [S12][S14][S25]
• ✓Confirmer la classe d'arbre par rapport au cas de charge et à la plage réelle de diamètre d'arbre, non une classe par défaut [S2]
• ✓Confirmer la classe de carter par rapport au besoin de déplacement de la bague extérieure et à la température de l'arbre [S5]
• ✓Indiquer la classe de jeu interne (CN, C3 ou C4) et l'ajustement avec lequel elle a été choisie [S20]
• ✓Exiger de l'atelier la vérification du diamètre d'arbre et de l'alésage du carter, de l'état de surface et de la forme avant montage [S11]
• ✓Faire confirmer par le fournisseur la réduction de jeu attendue pour l'ajustement spécifié [S19][S9]
• ✓Nommer la méthode de montage et l'outillage afin que le serrage spécifié soit atteignable sans endommagement de la piste [S26][S13]

Là où les sources se contredisent ou restent muettes

Les tableaux ci-dessus proviennent de guides de choix d'ajustement de fournisseurs, et ils ne pointent pas tous dans le même sens. Les lignes ci-dessous maintiennent chaque position séparée ; les données ne tranchent pas celle qui s'applique à une machine donnée, aussi l'acheteur vérifie-t-il par rapport à l'application réelle.

Ce que les sources n'établissent pas

• Aucune source ne donne de valeurs numériques des écarts d'alésage et de diamètre extérieur Δdmp/ΔDmp pour un roulement donné, de sorte que l'interférence réelle ne peut pas être calculée à partir de cet article.
• Aucune source ne donne de plages numériques de jeu interne radial pour CN, C3 ou C4 avant montage.
• Aucune source ne donne de formule complète du facteur de rapport de bagues pour la réduction du jeu ; seuls le facteur 2/3 et la dimension d'aplatissement G* sont énoncés.
• Aucune source ne donne de calculs numériques de dilatation thermique ni l'écart de température à partir duquel C3 ou C4 devient nécessaire.
• Aucune source ne donne de formule d'interférence minimale pour prévenir le glissement ou la fretting, ni de limite générale d'interférence maximale pour la fissuration ou la contrainte circonférentielle.
• Aucune source ne donne d'exigences numériques de rugosité de surface (Ra), de cylindricité, de circularité ou de perpendicularité d'épaulement.
• Aucune source ne donne de valeurs d'interférence réalisables ou requises, ni de valeurs de force de montage, pour le montage à la presse, le chauffage par induction, l'injection d'huile ou l'écrou hydraulique.
• Aucune source ne donne de tolérances géométriques numériques des portées d'arbre ou de logement par rapport aux tolérances du roulement.