Le roulement à billes : désignation, montage, démontage

À quoi ça sert

Un roulement guide l’arbre en rotation par rapport au bâti en remplaçant le frottement de glissement par un frottement de roulement. Il est fait de quatre éléments : la bague intérieure (montée serrée sur l’arbre), la bague extérieure (montée dans l’alésage du flasque), les billes et la cage qui les espace.

Une histoire de roulements

Rouler plutôt que glisser, l’idée est très ancienne : les Égyptiens faisaient rouler les blocs de pierre sur des troncs. Léonard de Vinci dessine, vers 1497, dans le Codex de Madrid, des billes séparées par une cage, pour que les billes ne se frottent pas entre elles. Le premier brevet d’un roulement à billes est celui d’un Gallois, Philip Vaughan, en 1794, pour un essieu de voiture.

Mais il manquait de savoir faire des billes toutes identiques : une bille légèrement plus grosse porte toute la charge et casse. En 1883, l’Allemand Friedrich Fischer, à Schweinfurt, invente la machine qui rectifie les billes toutes à la même dimension ; la ville est encore aujourd’hui la capitale du roulement. Aujourd’hui, des billes de roulement sont rondes à moins d’un micromètre près.

Quelques ordres de grandeur. Un roulement d’un moteur qui tourne à 1 450 tr/min fait plus de 2 millions de tours par jour, 365 jours par an, pendant des années. C’est pourquoi on y met une graisse soigneusement choisie, et pourquoi on ne le frappe jamais.

De quoi c’est fait

Les bagues et les billes sont en 100Cr6 (acier à roulements : 1 % de carbone, 1,5 % de chrome), trempé à cœur vers 60 HRC. D’où deux conséquences directes à l’atelier :

• la lime glisse dessus sans mordre, le foret n’entame pas : c’est le repère le plus simple pour reconnaître une pièce trempée ;
• très dur veut dire fragile : une bague frappée peut éclater. Lunettes, et l’effort passe par l’extracteur ou la presse.

La cage est en tôle d’acier ou en polyamide, les joints 2RS en caoutchouc. Il existe aussi des bagues en inox (X65Cr13) et des billes en céramique pour les roulements hybrides. Voir la fiche S1.3.1 · Identifier un matériau à l’atelier.

Lire une désignation : 6204-2RS C3

Attention aux petits alésages : 00 = 10 mm, 01 = 12 mm, 02 = 15 mm, 03 = 17 mm. Ensuite seulement on multiplie par 5.

Retrouver la référence à partir des mesures

On mesure au pied à coulisse :

• d : diamètre intérieur (alésage) ;
• D : diamètre extérieur ;
• B : largeur.

Quelques roulements très fréquents sur les petits moteurs :

Un catalogue en ligne (123roulements, SKF, NTN…) permet de chercher directement par dimensions : d × D × B. On vérifie ensuite en lisant la gravure sur la bague du roulement démonté.

Les trois règles d’or du montage

1. L’effort passe par la bague montée serrée. Sur l’arbre, on pousse ou on tire la bague intérieure ; dans le flasque, on appuie sur la bague extérieure. Jamais à travers les billes : elles marquent les chemins de roulement et le roulement est bon à jeter.

2. Pas de frappe directe. Extracteur, presse hydraulique, ou tube d’appui et massette sans rebond avec un jet en aluminium.

3. Chauffe maîtrisée. Un roulement ouvert chauffé par induction à 110 °C (sans dépasser 120 °C) se dilate et glisse sur l’arbre sans effort. Au-delà, on modifie le traitement thermique de l’acier et le roulement est détruit.

   Un roulement avec joints (RS, 2RS, 2Z) se chauffe moins : 90 °C au plus (limite Leroy-Somer ; SKF conseille même 80 °C). Au-delà, la graisse d’usine et les joints en caoutchouc sont abîmés.

Pourquoi on chauffe un roulement avant de l’emmancher

1. Un métal chauffé se dilate. L’acier s’allonge d’environ 12 millionièmes de sa longueur par degré. Pour une bague intérieure de 20 mm chauffée de 20 °C à 110 °C (90 °C de plus) :

20 mm × 0,000 012 × 90 = 0,02 mm, soit 2 centièmes de millimètre.

C’est peu, mais c’est exactement ce qu’il faut : le roulement est monté serré sur l’arbre (quelques centièmes de serrage). Chaud, sa bague intérieure devient plus grande que l’arbre et glisse dessus à la main ; en refroidissant, elle se resserre et tient.

2. Pousser en force est la mauvaise idée. À froid, il faudrait enfoncer la bague intérieure à la presse ou à coups de massette. Si l’effort passe par l’autre bague, il traverse les billes, qui marquent les chemins de roulement. Le roulement neuf est alors bruyant et meurt en quelques semaines, sans qu’on le voie de l’extérieur.

3. Pourquoi jamais plus de 120 °C ? L’acier d’un roulement est trempé : c’est ce qui le rend très dur. Au-dessus de 120 °C, on le revient sans le vouloir : il perd de la dureté, ses chemins s’usent vite. Un roulement étanche a en plus sa graisse d’usine et ses joints : la limite descend à 90 °C. Une seule chauffe trop forte ne se voit pas, mais elle raccourcit la vie du roulement.

4. Comment savoir qu’on est à la bonne température quand la sonde de l’appareil est hors service :

• au thermomètre infrarouge, que l’on pointe sur la bague juste après avoir sorti le roulement ;
• à défaut, 1 min 30 de chauffe pour un roulement de cette taille (type 6204), puis on contrôle : une goutte d’eau posée dessus doit grésiller sans s’évaporer d’un coup.

5. Bien finir. Gants anti-chaleur, on glisse le roulement jusqu’à l’épaulement sans attendre (il refroidit en quelques secondes), on le tient contre l’épaulement le temps qu’il se resserre, puis on ne le touche plus. L’appareil à induction aimante le roulement : on le démagnétise en fin de cycle, sinon il attire les limailles.

Démonter un roulement sans l’abîmer

• On ne frappe jamais une bague : elle est trempée, donc fragile.
• L’effort ne traverse jamais les billes. On tire par la bague qui est serrée sur l’arbre (la bague intérieure) ou par une pièce voisine quand l’extracteur le permet ; l’arbre est tenu dans un étau ou sur un support.
• Vis de l’extracteur dans le trou de centrage de l’arbre, serrage lent, sans à-coup.
• Extracteurs à griffes : les griffes qui se glissent sous la bague intérieure sont rares. Le plus souvent, seule la bague extérieure est accessible.
• Astuce de l’atelier pour ménager le roulement : on coince une branche de l’extracteur dans un étau et on tourne le rotor à la main. Le roulement sort en tournant, et ce n’est jamais la même bille qui encaisse l’effort. SKF préconise aussi de tourner la bague pendant qu’on tire.
• Réutiliser ou jeter ? Un roulement tiré par sa bague extérieure a vu l’effort traverser ses billes : SKF le considère comme usagé et conseille de le remplacer. On ne remet le même roulement que s’il a été tiré par la bague serrée et si son expertise est bonne (voir plus bas).

Expertiser un roulement démonté

On le fait tourner lentement à la main, à sec :

• bruit de gravier, point dur, à-coups : billes ou chemins écaillés ;
• jeu radial ou axial important : usure ;
• traces brunes, graisse noircie et sèche : échauffement, mauvaise lubrification ;
• empreintes régulières sur le chemin : le roulement a été monté à coups de massette, ou est resté longtemps à l’arrêt en vibrant.

Les autres familles de roulements

Le roulement à billes rigide (série 6) est le plus courant, mais il en existe d’autres, choisis selon l’effort à reprendre :

Un roulement à billes bruyant chauffe ; un roulement à rouleaux coûte plus cher. Les rouleaux touchent la bague sur une ligne et les billes sur un point : ils portent bien plus pour la même taille, mais acceptent moins bien le désalignement.

Le roulement fixe et le roulement libre

Un arbre doit être immobilisé axialement par rapport au carter, sans être coincé : en chauffant, il s’allonge (environ 12 µm par mètre et par degré, pour l’acier). On le guide donc avec deux roulements qui n’ont pas le même rôle :

• le roulement fixe retient l’arbre dans les deux sens : ses deux bagues sont bloquées par des épaulements, circlips ou couvercles ;
• le roulement libre laisse glisser l’une de ses bagues dans l’alésage : l’arbre peut s’allonger sans se bloquer.

Un moteur électrique, par exemple, a un roulement fixe côté ventilateur, et un roulement libre côté bout d’arbre, souvent poussé par une rondelle ondulée qui assure un petit appui. Dans le réducteur SEW, les circlips et les rondelles d’épaulement des roulements jouent exactement ce rôle : voir le TP Réducteur SEW.

Les ajustements des bagues

Une bague de roulement se monte serrée sur l’élément qui tourne par rapport à la charge, et glissante sur l’autre :

Si la bague qui tourne était libre, elle patinerait sur son logement et l’userait. Pour un arbre de moteur, on prend k5 ou k6 (légèrement serré) et un alésage en H7 ou J7. Voir le calcul de jeu et de serrage dans Tolérances générales ISO 2768.

Les roulements à contact oblique : montage en O et en X

Un roulement à contact oblique encaisse une poussée dans un seul sens. Pour reprendre la poussée dans les deux sens, on en monte deux, face à face :

• Montage en O (dos à dos) : les bagues extérieures se touchent par leurs grandes faces. Les lignes de contact s’écartent vers l’arbre ; les centres de poussée sont éloignés. Le montage est rigide : il résiste bien au basculement de l’arbre (poulie, pignon qui pousse sur le côté).
• Montage en X (face à face) : les bagues extérieures se touchent par leurs petites faces. Les lignes de contact se rapprochent ; les centres de poussée sont rapprochés. Le montage est un peu moins rigide en basculement, mais il tolère mieux un petit désalignement.

On règle ce type de montage : un écrou, des cales ou une entretoise de longueur choisie donnent un jeu nul ou une légère précharge (une compression qui supprime le jeu et rend l’arbre précis). C’est le travail des clinquants (cales de réglage) du réducteur SEW.