TITRE : Palier de roulement mécanique

Domaine technique de l’invention

La présente invention concerne les paliers à roulements et plus particulièrement les paliers à roulement tournant à faible vitesse amenés à subir des charges occasionnelles extrêmes.

Etat de la technique antérieure

Les paliers à roulements sont généralement utilisés pour assurer la mise en position axiale et radiale précises d’arbres solidaires de pièces devant être orientées ou mis en rotation lente.

Ces paliers à roulement sont constitués d’une bague de roulement intérieure présentant une piste de roulement, pouvant ou non être divisée en deux bagues portant chacune une demi-piste ; d’une bague de roulement extérieure présentant une piste de roulement, pouvant être ou non divisée en deux bagues portant chacune une demi-piste; d’éléments roulants pouvant être des billes ou des rouleaux et éventuellement d’un ou plusieurs dispositifs séparateurs d’éléments roulants visant à assurer la bonne répartition circonférentielle de ces derniers dans le roulement. Les éléments roulants peuvent être des billes, des rouleaux cylindriques, coniques ou en tonneaux.

Les roulements mettent en jeu des géométries de contacts hertziens de type bille/pistes en portions de tores, rouleau cylindrique/ pistes cylindriques, rouleau conique / pistes coniques ou rouleau tonneau / pistes sphérique et torique. Ces géométries ont tendance à concentrer les efforts de contact sur des surfaces très réduites.

Lors de chargement très important à une position donnée ou à très faible vitesse, les pressions de contact entre les éléments roulants et les pistes peuvent dépasser la limite élastique des matériaux des pistes ou des éléments roulants, altérant leurs géométries par matage. Ce matage détériore le roulement en créant des points durs voire un jeu. On appelle cela l’effet de Brinell ou brinelling.

Afin d’éviter ce type de détérioration, les paliers de roulement sont dimensionnés pour tenir compte des chargements extrêmes, même si ceux-ci sont rares. De nombreux paliers de roulements sont donc surdimensionnés dans la très grande majorité de leur cycle de vie.

Ces paliers de roulement surdimensionnés sont lourds, encombrants et coûteux.

Présentation de l’invention

Un but de la présente invention est de proposer un ensemble de roulement résistant mieux à des surcharges occasionnelles.

Un autre but de la présente invention est de proposer un ensemble de roulement ne présentant pas de point dur ou de jeu après un évènement occasionnel de chargement extrême.

Un autre but de la présente invention est de proposer un ensemble de roulement moins lourd tout en étant capable de supporter des charges importantes.

Un autre but de la présente invention est de proposer un ensemble de roulement moins encombrant et capable de supporter des charges importantes.

Un autre but de la présente invention est de proposer un ensemble de roulement moins coûteux.

Résumé de l’invention

La présente invention a pour objet un palier de roulement mécanique comprenant :

- deux bagues présentant chacune une piste de roulement,

- des éléments roulants agencés entre les bagues, les éléments roulants étant aptes à rouler contre une partie des pistes de roulement, les éléments roulants étant réalisés dans un matériau défini, caractérisé en ce qu’il comporte une pluralité de blocs intercalaires agencés entre les bagues, les blocs intercalaires étant réalisés dans un matériau ayant une raideur supérieure à la raideur du matériau des éléments roulants au moins dans des directions normales aux pistes de roulement, et en ce que, lorsque le palier est soumis à une charge inférieure à une charge seuil, les blocs intercalaires présentent une dimension inférieure aux éléments roulants dans des directions normales aux pistes de roulement.

Avantageusement, le palier selon l’invention permet de combiner les avantages d’un palier à roulement et les avantages d’un palier lisse, le premier assurant la performance en fonctionnement normal tout en restant assez souple pour se déformer sans dommage jusqu’à mise en contact du second, plus raide et résistant à la surcharge.

Avantageusement, les blocs intercalaires permettent de remplir la fonction de séparation et bonne répartition angulaire des éléments roulants. Les blocs intercalaires peuvent se retrouver eux-mêmes positionnés par une cage séparatrice d’éléments roulants.

Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre. Elles peuvent être mises en œuvre indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :

- Les éléments roulants sont fabriqués dans un matériau ayant une raideur suffisante pour autoriser la déformation des éléments roulants dans leur domaine de déformation élastique au moins jusqu’à ce que lesdits blocs intermédiaires soient en contact des pistes de roulement, lorsque le palier est soumis à une charge supérieure à ladite charge seuil.

Les blocs intercalaires comportent des faces d’appui situées en regard des pistes de roulement, lesdites faces d’appui des blocs intermédiaires ayant une forme complémentaire à la forme des pistes de roulement.

- Les blocs intercalaires présentent des arêtes arrondies.

- Les arêtes arrondies présentent une courbure à variation progressives formée par une succession de rayons fixes tangents ou une fonction continue dérivable.

- Les bagues ont une raideur supérieure aux éléments roulants.

- Les blocs intercalaires et les éléments roulants sont disposées alternativement les uns après les autres.

Les blocs intercalaires et les bagues sont réalisés dans un matériau parmi la céramique et l’acier, et dans lequel les éléments roulants sont réalisés dans un alliage de Nickel-Titane.

- Les blocs intercalaires et les bagues sont réalisés en céramique et dans lequel les éléments roulants sont réalisés en acier.

- Le palier comporte une cage de roulement comprenant des premières alvéoles et des deuxièmes alvéoles, les premières alvéoles ayant une forme différente de la forme des deuxièmes alvéoles, les premières alvéoles contenant les éléments roulants et les deuxièmes alvéoles contenant les blocs intercalaires.

- Les blocs intercalaires sont solidarisés de façon rigide aux deuxièmes alvéoles.

- Les blocs intercalaires sont montés libres dans les deuxièmes alvéoles, un jeu étant aménagé dans les deuxièmes alvéoles autour des blocs intercalaires. - Les blocs intercalaires sont solidarisés de façon souple aux deuxièmes alvéoles.

- Les éléments roulants présentent une forme sphérique et dans lequel les blocs intercalaires présentent en coupe une forme de carré ou de losange dont les angles obtus sont arrondis ayant deux sommets opposés de forme arrondies, ladite coupe étant réalisée selon un plan radial.

- Les éléments roulants présentent une forme de rouleau conique, et dans lequel les faces d’appui des blocs intercalaires présentent une forme tronconique.

- Les éléments roulants présentent une forme de rouleau cylindrique ou d’aiguille, et dans lequel les faces d’appui des blocs intercalaires présentent une forme cylindrique.

- Les éléments roulants présentent une forme de rouleau tonneau face à une piste extérieure en portion de sphère, et dans lequel les faces d’appui des blocs intercalaires présentent une forme en portion de tore face à la piste intérieure et en portion de sphère face à la piste extérieure.

L’invention concerne un module de turbomachine comprenant un arbre rotatif d’axe longitudinal X-X ; un palier de roulement mécanique de guidage en rotation de l’arbre rotatif autour de l’axe longitudinal X-X ; ledit palier étant conformé selon les caractéristiques mentionnées ci-dessus.

L’invention concerne également une turbomachine comprenant un module de turbomachine conformé selon les caractéristiques mentionnées ci-dessus.

La turbomachine comprend en outre un ensemble de pièces en rotation lente ou à orienter selon un axe lui-même en rotation autour d’un axe d’arbre principal tournant, lesdites pièces subissant un champ d’accélération centrifuge.

Brève description des figures

[Fig. 1] est une vue en coupe d’un ensemble de roulement comprenant un palier de roulement selon un premier mode de réalisation de l’invention ; la coupe étant réalisée dans un plan radial à l’axe de rotation du palier ;

[Fig. 2] est une vue en perspective de côté de l’ensemble de roulement illustré sur la figure 1 sans bague externe et sans carter ;

[Fig. 3] est une vue de dessus de l’ensemble de roulement illustré sur la figure 1 ; [Fig. 4] est une vue en perspective de côté d’un palier selon un deuxième mode de réalisation monté autour d’un arbre ; [Fig. 5] est une vue en coupe d’un ensemble de roulement comprenant un palier de roulement selon un troisième mode de réalisation de l’invention ; la coupe étant formée dans un plan radial à l’axe de rotation du palier ;

[Fig. 6] est une vue en perspective de côté de l’ensemble de roulement illustré sur la figure 5 sans bague externe et sans carter ;

[Fig. 7] est une vue de dessus de l’ensemble de roulement illustré sur la figure 5 ; [Fig. 8] est un schéma de principe illustrant un premier exemple de courbure d’une face d’appui d’un bloc intercalaire ;

[Fig. 9] est un schéma de principe illustrant un deuxième exemple de courbure d’une face d’appui d’un bloc intercalaire ;

[Fig. 10] est une vue en coupe d’un ensemble de roulement comprenant une partie d’un palier de roulement selon un quatrième mode de réalisation de l’invention ; la coupe étant formée dans un plan radial à l’axe de rotation du palier ;

[Fig. 11] est une vue en perspective de côté de l’ensemble de roulement illustré sur la figure 10 sans bague externe ;

[Fig. 12] une vue de dessus de l’ensemble de roulement illustré sur la figure 10 ; [Fig. 13] une vue en perspective de l’ensemble de roulement illustré sur la figure 10 et comprenant en outre une cage de roulement.

Description détaillée de l’invention

En référence à la figure 1 , l’ensemble de roulement 2 comprend un arbre 4 ayant un axe de rotation X-X s’étendant selon une direction axiale A, un moyeu 6 agencé autour de l’arbre et un palier 8 monté entre l’arbre et le moyeu.

Le palier 8 comprend une bague externe 10 serrée contre le moyeu, une bague interne 12 serrée contre l’arbre, des éléments roulants 22 et des blocs intercalaires 24 agencés entre la bague externe et la bague interne.

En référence à la figure 2, les éléments roulants 22 et les blocs intercalaires 24 sont répartis en cercle autour de l’axe de rotation X-X. Dans le mode de réalisation représenté sur cette figure, les éléments roulants et les blocs intercalaires sont disposées alternativement les uns après les autres. Alternativement, les blocs intercalaires et les éléments roulants peuvent être distribués différemment tel que par exemple une succession de deux éléments roulants et d’un bloc intercalaire.

D’autres distributions peuvent être mises en œuvre. En référence à la figure 1 , la bague externe 10 est en butée contre un épaulement 14 prévu dans le moyeu. La bague externe est maintenue immobile en translation suivant la direction axiale A par un écrou 16 vissé dans le moyeu contre la bague externe. La bague interne 12 est en butée contre un épaulement 18 prévu dans l’arbre. Elle est maintenue immobile en translation suivant la direction axiale A par un écrou 20 vissé sur l’arbre contre la bague interne. La bague externe et la bague interne sont décalées selon la direction axiale A d’une distance fonction de la taille des éléments roulants.

La bague externe 10 et la bague interne 12 présente chacune une face dirigée vers les éléments roulants et les blocs intercalaires. Cette face est appelée piste de roulement 26.

Les blocs intercalaires 24 présentent une dimension inférieure aux éléments roulants 22 dans des directions normales N aux pistes de roulement. Ainsi, un jeu 30 est aménagé entre les blocs intercalaires 24 et les pistes de roulement 26.

Les blocs intercalaires 24 sont fabriqués dans un matériau ayant une raideur supérieure à la raideur du matériau dans lesquels les éléments roulants 22 sont fabriqués au moins dans des directions normales N aux pistes de roulement. De préférence, les blocs intercalaires sont fabriqués d’un seul tenant dans un seul matériau et ce matériau présente une raideur supérieure à la raideur du matériau utilisé pour la fabrication des éléments roulants.

Avantageusement, la bague externe 10 et la bague interne 12 sont également fabriqués dans un matériau ayant une raideur supérieure aux éléments roulants 22. Par exemple, les blocs intercalaires 24 et les bagues 10, 12 sont réalisés en céramique ou en acier et les éléments roulants 22 sont réalisés en un alliage superélastique tel que par exemple du Nickel-Titane aussi appelé Nitinol.

Selon un autre exemple, les blocs intercalaires et les bagues sont réalisés en acier et les éléments roulants sont réalisés en céramique.

D’autres matériaux peuvent être utilisés à partir du moment où il existe une grande différence entre le module d’Young des éléments roulants et le module d’Young des blocs intercalaires et des bagues. Il n’est pas nécessaire que les bagues soient fabriquées dans le même matériau que les blocs intercalaires.

Les éléments roulants 22 sont fabriqués dans un matériau ayant une raideur suffisante pour autoriser leur déformation dans leur domaine de déformation élastique jusqu’à ce que lesdits blocs intermédiaires soient en contact des pistes de roulement. Autrement dit, les éléments roulants sont aptes à se déformer dans leur domaine de déformation élastique sans entrer dans leur domaine de déformation plastique jusqu’à ce que les jeux 30 entre les blocs intermédiaires et les pistes de roulement soient occupés, comme explicité ci-après. Les domaines de déformation élastique et plastiques des matériaux sont connus et ne seront pas décrits dans cette demande de brevet.

Les pistes de roulement 26 présentent une forme facilitant le déplacement des éléments roulants autour de l’axe de rotation X-X et selon les directions axiale A et radiale R. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 à 3, les éléments roulants 22 présentent une forme sphérique. Les pistes de roulement 26 présentent une forme en portion de tore.

Les blocs intercalaires 24 comportent des faces en regard des pistes de roulement. Ces faces sont appelées faces d’appui 28, 29 dans la présente demande de brevet. Les faces d’appui 28, 29 des blocs intermédiaires ont une forme globalement complémentaire à la forme des pistes de roulement 26. Ainsi, dans un plan de coupe radial, les blocs intercalaires présentent une forme de carré ayant deux sommets diagonalement opposés de forme arrondie formant les faces d’appui.

Dans ce mode de réalisation, les faces d’appui 28,29 du bloc intercalaire s’étendent en regard de l’ensemble de la surface des portions 30,31 de piste de roulement situées en regard de ce bloc intercalaire. Ainsi, en référence à la figure 3, la face d’appui 28 se superpose à l’ensemble de la portion 30 de piste de roulement de la bague interne 12 dans les directions axiale A et radiale R tout le long de la largeur intérieure Li du bloc intercalaire. De même, la face d’appui 29 opposée à la face d’appui 28 se superpose à l’ensemble de la portion 31 de piste de roulement de la bague externe 10 dans les directions axiale A et radiale R tout le long de la largeur extérieure Le du bloc intercalaire.

Les blocs intercalaires 22 présentent en outre des arêtes 32 cassées, dépouillées et arrondies graduellement pour éviter des surcharges aux bords. Pour cela, les rayons de courbure des faces d’appui 28, 29 évolue en fonction de la proximité de l’arête théorique qui existerait en l’absence de dépouille. Cette évolution des rayons de courbure peut être définie par une fonction mathématique tel que par exemple une fonction clothoïde, une fonction logarithmique, une fonction polynomiale, ou une fonction exponentielle. Le rayon de courbure diminue de façon continue et évolutive en s’approchant de l’arête théorique pour mieux éviter les concentrations de contraintes aux bords des contacts. La figure 8 illustre le principe de dépouille permettant d’éviter les surpressions de bords par rapport à une section de droite. La figure 9 illustre le principe de dépouille permettant d’éviter les surpressions de bords par rapport à une face arrondie. En référence à ces figures, au lieu de conformer les faces d’appui du bloc intercalaire jusqu’à une arête théorique illustré par un point référencé A, les faces d’appui 28, 29 suivent une courbure illustrée ici par une courbure définie entre les points B et C. Cette courbure ne doit pas présenter de rupture de tangence. La courbure peut varier par palier, par exemple par une succession plusieurs rayons constants, ou selon une fonction continue et dérivable. On peut le définir mathématiquement par un rayon fonction de l’abscisse curviligne depuis le point B ou le point C, ou bien encore en fonction d’une distance par rapport à la forme théorique sans dépouille aboutissant à l’arête théorique A.

En fonctionnement, lorsque la charge est inférieure à une charge seuil, le palier est utilisé dans un mode de fonctionnement normal. Les éléments roulants 22 roulent le long des pistes de roulement. Les éléments roulants présentent un contact elliptique étroit par déformation élastique locale avec les pistes de roulement (Contact Hertzien). Les blocs intercalaires ne sont pas en contact simultané avec les deux pistes de roulement. Il subsiste un jeu dans la direction de contact, entre les pistes et les blocs intercalaires. Lorsque le palier est soumis à une charge importante ou à un choc violent, le palier est utilisé dans un mode de fonctionnement dit en surcharge. Les éléments roulants et les pistes de roulement se déforment en restant dans la limite de leur domaine d’élasticité. Lors de cette déformation, ils s’écrasent contre les pistes de roulement, qui elles même se déforment élastiquement autour du contact étroit. Le contact entre les éléments roulants et les pistes de roulement devient un contact elliptique plus large et plus creux. Le jeu 30 disposé entre les blocs intercalaires 24 et les pistes de roulement 26 est absorbé. Les faces d’appui 28, 29 des blocs intercalaires sont au contact des pistes de roulement. Comme les faces d’appui ont une forme complémentaire à la forme des pistes de roulement, la surface d’appui des blocs intercalaires sur les pistes de roulement est plus importante que celles entre éléments roulants et pistes de roulement. La pression par unité de surface est plus faible. Les blocs intercalaires sont en appui sur une plus grande surface des pistes de roulement. Les blocs intermédiaires présentent une raideur supérieure aux éléments roulants. Ils présentent une plus grande résistance à la charge. Les pistes de roulement 26 ne sont que peu déformées sous les blocs intercalaires et ne sont au global, y compris sous les éléments roulants, déformées que dans leur domaine de déformation élastique.

Dans le mode de réalisation représenté, les éléments roulants 22 sont des billes. En variante, les éléments de roulants peuvent présenter une forme différente. Les éléments roulants peuvent par exemple être des rouleaux cylindriques, des rouleaux coniques ou en tonneaux.

Un mode de fonctionnement est dit normal lorsque la charge appliquée est au moins trois à cinq fois inférieure à la charge d’un mode de fonctionnement en surcharge. Un mode de fonctionnement en surcharge peut conduire à un fluage ou à un Brinelling des bagues et/ou des éléments roulants. La charge seuil délimitant un mode de fonctionnement normal d’un mode de fonctionnement en surcharge dépend de la taille du palier et des matériaux utilisés pour le réaliser. L’Homme du métier est capable de définir cette charge seuil ainsi que le mode de fonctionnement normal et le mode de fonctionnement en surcharge à l’aide de ses connaissances techniques. La figure 4 représente un palier 34 selon un deuxième mode de réalisation comprenant les mêmes éléments que le palier 2 selon le premier mode de réalisation. En plus, le palier 34 comporte une cage de roulement 36 comprenant des premières alvéoles 38 et des deuxièmes alvéoles 40. Les premières alvéoles 38 ont une forme différente de la forme des deuxièmes alvéoles 40. Les premières alvéoles contiennent les éléments roulants 22. Les deuxièmes alvéoles 40 contiennent les blocs intercalaires 24. Les blocs intercalaires 24 peuvent être solidarisés de façon rigide ou souple ou libres dans un jeu défini aux deuxièmes alvéoles. Le palier 34 est monté autour d’un arbre 4. La bague externe 10 et le moyeu n’ont pas été représentés sur la figure 4.

Avantageusement, la cage de roulement 36 permet une meilleure séparation et une meilleure répartition angulaire des éléments roulants 22 et un meilleur positionnement des blocs intercalaires 24.

Les figures 5 à 7 représentent un palier 42 selon un troisième mode de réalisation comprenant des éléments techniques similaires aux éléments techniques du palier 2 selon le premier mode de réalisation. Les éléments techniques du troisième mode réalisation identiques aux éléments techniques du premier mode de réalisation sont désignés par les mêmes références et ne sont pas décrits une seconde fois. A la différence du palier 2 représenté sur les figures 1 à 3, les éléments roulants 44 du palier 42 présentent une forme de rouleaux coniques. Les blocs intercalaires 46 présentent la forme générale d’un prisme. Les faces d’appui 48, 49 des blocs intercalaires présentent une forme tronconique.

Les pistes de roulements 50 présentent également une forme tronconique. Dans le mode de réalisation représenté, les blocs intercalaires 46 présentent une dimension choisie de sorte que leurs faces d’appui 48 soient en regard de l’ensemble de la surface d’une portion 51 de piste de roulement de la bague interne 12 située en regard du bloc intercalaire

Les figures 10 à 13 représentent un palier 60 selon un quatrième mode de réalisation comprenant des éléments techniques similaires aux éléments techniques du palier 2 selon le premier mode de réalisation à l’exception du carter et des écrous de fixation. Les éléments techniques du quatrième mode réalisation identiques aux éléments techniques du premier mode de réalisation sont désignés par les mêmes références et ne sont pas décrits une seconde fois. A la différence du palier 2 représenté sur les figures 1 à 3, les éléments roulants 62 du palier 60 présentent une forme de rouleau cylindrique ou d’aiguille. Les blocs intercalaires 64 présentent la forme générale d’un prisme. Les faces d’appui 66, 68 des blocs intercalaires présentent une forme cylindrique.

Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 13, le palier 60 comporte en outre une cage de roulement 36.

L’invention concerne également un module de turbomachine comprenant un arbre rotatif d’axe longitudinal X-X ; un palier de roulement mécanique de guidage en rotation de l’arbre rotatif autour de l’axe longitudinal X-X ; ledit palier étant conformé comme mentionné ci-dessus.

L’invention concerne également une turbomachine comprenant un module de turbomachine conformé comme décrit ci-dessus. La turbomachine comprend un ensemble de pièces en rotation lente ou à orienter précisément selon un axe lui- même en rotation autour d’un axe d’arbre principal tournant rapidement. Les pièces en question subissant un champ d’accélération centrifuge et d’autres contraintes pouvant varier brutalement.

L’invention décrite peut-être appliquée :

- à des paliers à rouleaux à pistes cylindriques, coniques ou sphériques et toriques.

- A des butées à billes à pistes planes.

- A des glissières à rouleaux ou à billes. - A des paliers à aiguilles.

- à un roulement à bille à 3 ou 4 points de contact.

- à des paliers à roulement présentant un jeu interne ou un serrage interne des éléments roulants. - à des paliers dont les efforts extrêmes n’ont pas la même direction que les efforts en fonctionnement normal. Dans ce dernier cas, la forme des bagues et des blocs intercalaires est adaptée aux directions des efforts.