Durée de vie des roulements : SKF bouleverse la donne

SKF, leader du marché des roulements, mène de nombreuses recherches pour optimiser le calcul de la durée de vie des roulements. Ses chercheurs ont été ainsi à l’origine de formule de calcul largement adoptées tant par l’ensemble des constructeurs que des utilisateurs, à tel point qu’elles sont devenues des normes ISO. SKF fait encore office de précurseur en proposant un nouveau mode de calcul tenant compte des dommages de surface à l’origine de 85 % des avaries.

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Durée de vie des roulements : SKF bouleverse la donne
Une formule de calcul de la durée de vie tient enfin compte des vraies causes de défaillance.

L’usage des roulements, ces composants mécaniques servant au guidage en rotation des arbres, s’est développé avec la révolution industrielle du XIXe siècle. Par contre leur dimensionnement était à cette époque très empirique.

Avec la naissance des grands roulementiers de véritables chercheurs ont pu se pencher sur la science des roulements et notamment la tribologie associée au contact des éléments roulants sur les pistes. A force de recherches et d’essais dans leurs laboratoires, ils ont peu à peu mis au point des formules de calcul permettant de mieux estimer la durée de vie d’un roulement en millions de tours en fonction de ses conditions de charge et de service.

Mais il faudra attendre 1947, pour que Arvid Palmgren, chercheur chez SKF en Suède, aidé par le Professeur Gustaf Lundberg, modélisent les phénomènes agissant sur la durée de vie du roulement et proposent une formule de calcul simplifiée, permettant de déterminer les dimensions des montages de roulements à partir de la charge. C’est le Basic Rating Life Model où la durée de vie s’exprime par la formule : L10 = (C/P)p.

Où C = Charge dynamique de base ; P = Charge dynamique équivalente ; p = Exposant de durée de vie (pour les roulements à rouleaux : p = 10/3 ; pour les roulements à billes : p = 3). Notons que la charge dynamique de base est la charge pour laquelle la durée nominale calculée de la population de roulements avec une fiabilité de 90 % correspond à un million de tours.

Cette formule fut rapidement adoptée par l’ensemble des constructeurs et des utilisateurs. La théorie des deux chercheurs fut publiée dans un opuscule qui devient rapidement la bible des concepteurs : ‘‘le Palmgren’’. A tel point que cette formule devient une norme ISO en 1962.

Seul bémol, il fallait que le roulement soit en permanence correctement lubrifié pour espérer atteindre la durée de vie calculée. Ce qui est souvent loin d’être le cas dans les applications industrielles.

Un modèle tenant compte de la lubrification en 1989

C’est pourquoi en 1989, deux autres chercheurs de SKF, Eustathios Ioannides et Tedric Harris proposèrent un nouveau modèle de calcul tenant compte de la réalité de la lubrification et des effets de sa contamination, le Modified Life Model où la durée de vie s’exprime par la formule : L10m = askf(C/P)p, où askf est un facteur caractérisant la lubrification. Cette formule permet un calcul de la durée de vie plus proche de la réalité constatée sur le terrain et par là même permet souvent de réduire l’encombrement des montages de roulements en diminuant les marges prises pour le coefficient de sécurité traduisant souvent une ignorance des conditions réelles de fonctionnement.

A son tour cette formulation fut adoptée par les constructeurs et utilisateurs et devint une norme ISO en 2007. Mais là encore, force est de constater que la durée calculée pouvait être encore loin de celle constatée sur le terrain. En effet, les deux formulations se basant essentiellement sur la capacité de charge dynamique C, elles ne permettaient de prendre en compte que les dommages initiés dans les sous-couches des matériaux.

L’analyse de millions de défaillances de roulements a montré que ces dommages n’étaient à l’origine que d’environ 15 % des défaillances de roulements, les 85 autres pourcents étant dû à des dommages initiés en surface, qui n’étaient pas pris en compte dans les formules de calcul. Ces détériorations résultent généralement de facteurs tels que la contamination, la mauvaise lubrification ou d'autres conditions environnementales qui entraînent des contraintes et une usure en surface.

Tenir compte de toutes les causes de défaillance

C’est pourquoi les laboratoires de SKF ont continué leurs recherches pour finalement aboutir en fin d’année dernière à un Generalized Bearing Life Model développé par Guillermo Morales et Antonio Gabelli qui tient compte de la fatigue de surface et de la fatigue initiée en sous-couche.

Basé sur des modèles tribologiques explicites, il prend en compte de nouveaux paramètres de performance, notamment de lubrification, de contamination, de finition de surface et de résistance à l'usure. En intégrant plusieurs modes de défaillance potentielle, ce modèle peut anticiper de manière précise et réaliste le comportement et la durée des roulements dans différentes conditions de fonctionnement.

La nouvelle formule de calcul de la durée de vie devient donc : L10GMh = [ƒss(C,Rss) + ƒs(Rs,p1,p2)]b où R est le risque de dommage et où le premier membre tient compte des phénomènes de sous-couche (fatigue par contact roulant hertzien) et le second des phénomènes de surface (modèles tribologiques).

Les multiples facteurs pris en compte permettent d’approcher encore mieux la durée de vie réelle du roulement, mais il donne aussi la possibilité aux concepteurs des roulements d’agir sur de multiples paramètres, tels la nature des matériaux utilisés, les différents process de traitement thermique des matériaux et de leurs surfaces ou les détails de la géométrie interne, pour optimiser la durée de vie du roulement par rapport à une application tout en réduisant par exemple son encombrement.

Ainsi un roulement de réducteur ayant une capacité dynamique de charge de 490 KN avait une durée de vie L10h calculée de 52 000 heures, une durée de vie L10mh calculée de 20 500 heures et une durée de vie L10GMh calculée de 20 500 heures, ce qui est très proche de ce qui est constaté sur le terrain.

Gageons que cette nouvelle formule de calcul, beaucoup plus précise, va devenir rapidement la règle de conception dans les bureaux d’études et deviendra à terme, tout comme ses ancêtres, une norme ISO de calcul de la durée de vie.

Elle va aussi permettre aux ingénieurs concevant les roulements d’optimiser leurs concepts pour à la fois allonger la durée de service, tout en diminuant les frottements internes, donc la température, les vibrations et le bruit de fonctionnement. Les premiers résultats sont visibles dans les gammes de roulements éco-énergétiques étanches où les frottements ont pu être diminués de 30 %

Et ça c’est nouveau !

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus : http://www.skf.fr

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