Parfois, les dispositifs les plus utiles en physique et en ingénierie sont les plus simples. Les roulements à billes montrent à quel point les bagues métalliques peuvent être extrêmement polyvalentes. Comme vous pouvez le voir dans de nombreux objets courants tels que les véhicules, les vélos, les planches à roulettes et autres machines qui impliquent des pièces métalliques mobiles, les humains ont utilisé la puissance des roulements à billes pendant des siècles.
Utilisations des roulements à billes
Imaginez-vous glisser sur un tapis moelleux tout en portant des chaussures. Cela peut être difficile à cause du frottement entre le tapis et vos chaussures, qui peuvent être faites de n'importe quoi, y compris du cuir, du plastique, du bois ou du caoutchouc. Si vous portiez des chaussettes à la place, ce serait beaucoup plus facile en raison de beaucoup moins de friction entre le tapis doux et les matériaux des chaussettes. Les roulements à billes fonctionnent de la même manière.
Les roulements à billes diminuent la friction entre les charges qui leur sont imposées. Ils le font parce que ce sont des billes ou des rouleaux métalliques qui se déplacent autour d'une surface métallique lisse dans une boucle intérieure et une boucle extérieure (parfois appelées anneaux). Vous pouvez en apprendre davantage sur les nombreuses applications des roulements à billes à travers leur physique. Les roulements à billes supportent des types de charge dans une direction radiale, et ces charges appliquent une force perpendiculaire à l'axe de rotation du roulement à billes.
Le glissement des billes métalliques autour des boucles du roulement à billes crée une friction entre un objet et sa surface qui ralentit l'objet. Dans certains cas, l'objet s'approche d'un arrêt. Ce mécanisme permet aux roulements à billes d'avoir des utilisations dans des systèmes de poulies ou des systèmes de rotation qui doivent être contrôlés. Par exemple, la roue de moyeu d'une voiture utilise une charge radiale due au poids de la voiture et à la poussée résultant d'un virage.
Dans tous les cas de roulements à billes, l'équilibre entre la poussée et la charge radiale amène les roulements à billes à réduire le frottement entre les billes dans les bagues intérieure et extérieure et à gérer la charge de l'objet. Les roulements à billes prennent la charge et la transfèrent de la bague extérieure à la bague intérieure pour permettre aux sphères au centre de chaque bague de tourner facilement.
Chaque sphère est reliée aux deux bagues, mais uniquement là où cela est nécessaire pour réduire le frottement entre les composants du roulement à billes lui-même. Pour ces raisons, les roulements à billes sont créés pour réduire la friction et faciliter la vitesse de rotation.
Types de roulements à billes
Les types de roulements à billes diffèrent grandement par leur mécanisme impliqué. Le type le plus largement utilisé est la rangée simple rigide, ou roulement à billes radial. Cette conception permet aux billes de fonctionner dans des pistes à rainures profondes et la disposition des roulements à billes à rainures profondes leur permet de supporter des charges radiales et axiales. Les versions scellées des roulements à billes sont lubrifiées en permanence pour réduire leur entretien.
Roulements à billes à double rangée utiliser deux rangées de balles. La conception donne plus de rigidité au mouvement du roulement lui-même. On les trouve dans les moteurs électriques, les pompes centrifuges et les embrayages électromagnétiques. Certains roulements à billes s'alignent d'une manière qui permet à l'arbre de tenir compte de tout désalignement à un angle par rapport au boîtier du roulement à billes.
le type de contact angulaire du roulement à billes a un côté de la bague extérieure coupé pour permettre à plus de billes de s'insérer. Ces roulements peuvent alors supporter de grandes quantités de charges axiales dans une direction et utiliser plus de billes dans les roulements eux-mêmes. Cela signifie que les ingénieurs les utilisent par paires dans les deux sens pour transporter de lourdes charges, dans une configuration qui les rend roulements à billes à double rangée à contact oblique. Ces types de roulements à billes varient également en fonction de leur matériau.
Types de matériel de roulement à billes
Les roulements à billes varient en matériaux avec des roulements à billes en acier, en céramique ou en plastique pour différentes utilisations. Ces types de roulements à billes diffèrent par la vitesse à laquelle ils peuvent fonctionner, les températures qu'ils peuvent atteindre et d'autres propriétés liées aux utilisations des roulements à billes. Comprendre les points positifs et négatifs de chaque type de matériau vous permettra de prendre une décision plus sage si vous avez besoin de roulements à billes.
Roulements à billes en acier
Les roulements à billes en acier utilisent soit des composants entièrement en acier, soit des alliages d'acier avec des traces d'autres éléments dans la composition. Ce sont des candidats idéaux pour manipuler des charges très lourdes tout en atteignant de grandes vitesses de rotation lors de la rotation.
Ces types de roulements à billes peuvent vous donner des mesures très précises car ils sont fabriqués à des niveaux de précision élevés. Leurs propriétés permettent aux roulements à billes en acier au carbone d'être utilisés dans les serrures, les vélos, les patins à roulettes, les chariots et les convoyeurs, entre autres.
Le matériau du roulement à billes en acier peut, malheureusement, provoquer de la corrosion en présence d'eau ou de gaz qui modifient la composition chimique de l'acier lui-même. Ces types de roulements à billes peuvent également être très lourds et bruyants lorsqu'ils sont utilisés dans des environnements de fabrication et autres.
Les roulements à billes en acier peuvent être très coûteux, et les ingénieurs doivent également lubrifier constamment les métaux en acier pour qu'ils continuent de fonctionner efficacement. S'ils ne sont pas correctement entretenus, ils peuvent provoquer une défaillance des roulements et n'atteindront pas la fin de leur durée de vie prévue.
Les fabricants créent et vendent des roulements à billes en acier dans différents styles. Vous pouvez acheter des billes d'acier avec des quantités plus élevées de carbone qui sont exposées à des traitements thermiques ou qui ont été durcies par d'autres méthodes. Les variations de teneur en carbone des roulements à billes en acier affectent leurs propriétés. Les aciers à faible teneur en carbone se trouvent dans des applications qui doivent être résistantes à la corrosion, mais n'ont pas nécessairement une surface durcie.
Bien que des matériaux en acier à faible teneur en carbone puissent être utilisés dans l'arbre linéaire d'un roulement à billes, ils ne sont pas parfaits pour le contact entre les billes elles-mêmes. Ils sont généralement utilisés avec un polymère pour éviter les dommages dans ces cas. Les roulements à billes en acier avec des quantités modérées de carbone sont solides, résistants à l'eau et robustes, et ces caractéristiques les rendent adaptés aux engrenages, essieux, goujons et autres composants de la machine. Les aciers à haute teneur en carbone sont les plus solides et les plus durs tout en résistant à la corrosion.
Roulements à billes en céramique
Les roulements à billes en céramique sont généralement créés comme des « hybrides » qui utilisent la bague extérieure, la bague intérieure et la cage en acier avec les billes elles-mêmes en céramique. Les propriétés de la céramique leur permettent de fonctionner à des rotations rapides par minute tout en maintenant leur température de fonctionnement fraîche et en limitant le bruit qu'ils créent.
Ces conceptions hybrides céramique-acier sont endommagées par la corrosion, mais les billes en céramique elles-mêmes sont moins sujettes à la corrosion que les matériaux en acier, et sont plus durables et plus légers que les billes d'acier roulements.
Ces types de roulements à billes peuvent être utilisés dans des applications électriques où les roulements à billes en acier ne le peuvent pas, car les roulements à billes en céramique ne sont pas conducteurs, mais ils sont également très coûteux. Les roulements à billes en céramique peuvent résister à des températures élevées, leur permettant de fonctionner à des vitesses plus élevées. Les prix de certains de ces roulements à billes peuvent être généralement élevés, mais vous pouvez également en trouver des versions bon marché.
Le matériau céramique de ces roulements à billes leur confère des poids inférieurs à 40 % à ceux des roulements à billes en acier. Les ingénieurs les fabriquent généralement en utilisant du nitrure de silicium céramique pour provoquer ces propriétés chimiques et physiques. Ils sont utilisés dans les roulements angulaires, les butées, les paliers à semelle, les roulements à aiguilles et les roulements à rouleaux. Les matériaux céramiques peuvent être plus résistants que l'acier, mais ils sont généralement plus rigides que les matériaux de roulement à billes.
Le polissage des billes d'acier en céramique utilise un champ magnétique avec un flux de plasma. Cette méthode de production leur donne des taux de rotation plus élevés que les roulements à billes en acier. Ils sont électriquement isolants, ce qui signifie qu'ils ne conduisent pas l'électricité, donc ils ne tombent pas en panne si le courant est passé à travers eux, et ils peuvent fonctionner sans être lubrifiés comme le doivent les roulements à billes en acier être.
Roulements à billes en plastique
Des innovations récentes ont produit des roulements à billes en plastique qui utilisent des bagues en plastique et une cage en plastique, et peuvent être achetés sous forme de billes en plastique, en verre ou en acier inoxydable. Le matériau de billes le plus courant avec ce type de roulement à billes est la bille en acier inoxydable. Ils constituent l'option la plus abordable, mais ils sont également plus lourds que les types en plastique ou en verre. Ils peuvent également devenir facilement magnétiques, ce qui peut perturber le mouvement et la physique des matériaux à proximité.
Les roulements à billes en plastique avec billes de verre sont d'excellents choix lorsque vous ne pouvez pas utiliser de métal. Ils ont une résistance chimique élevée et ont un poids inférieur à celui des billes d'acier. Les billes en plastique pour les roulements à billes en plastique pèsent encore moins et offrent une résistance à l'usure car elles sont utilisées au fil du temps. La plupart des roulements à billes en plastique sont autolubrifiants, légers et résistants à la corrosion tout en fonctionnant silencieusement.
Ces types de roulements à billes ne résistent malheureusement pas aux températures élevées aussi bien que les autres roulements à billes et ne peuvent parfois pas supporter des charges aussi élevées qu'eux.