Les roulements céramique.

Les roulements en céramique sont de plus en plus présents sur les roues haut de gamme et sur les moyeux "tunables". Je pense notamment aux moyeux Tune MAG160 à axe carbone, aux moyeux ADA, American Classic, série Z des Zipp etc.
Sans oublier les moyeux des groupes Shimano et Campagnolo dont il est possible de changer les billes acier pour des céramique très facilement.
Voici donc les avantages que peuvent procurer de tels roulements:

Herman Paternoster

Voici dix ans, la céramique ou le nitrure de silicium faisait son entrée dans l’industrie des roulements à billes. Depuis, l’application des roulements en céramique a pris son envol. Nous vous expliquons ici les arguments techniques à la base de ce développement.

Les régimes excessivement élevés sont déconseillés aux roulements. Les forces centrifuges provoquent sur les roulements à billes qui tournent à la vitesse de la cage une charge telle qu’elle peut largement dépasser la charge admissible du roulement. Le choix de plus petites billes et d’une densité du matériau plus faible peut remédier à cette situation.

Deux facteurs influents
La force centrifuge est entre autres proportionnelle à la masse de la bille. Une bille en céramique de 9,525 mm pèse 1,5 gramme tandis que sa soeur de même diamètre en acier pèse 2 grammes de plus, soit 3,5 grammes. Cela représente une hausse de régime de 30% en faveur du roulement en céramique.

D’autre part, le module E du nitrure de silicium est le double de celui de l’acier. Ainsi, à charge égale, la surface de contact est plus petite et donc, la tension de contact plus élevée. On a calculé que la charge admissible d’un roulement en céramique sur l’acier est inférieure d’un tiers à la combinaison acier-acier.

Ces deux estimations donnent néanmoins un surplus de régime admissible de 15% au roulement en céramique. Cependant, la surface de contact plus faible donne encore un avantage supplémentaire : le frottement moins important dégage moins de chaleur par rapport à un contact acier-acier. Ce facteur permet d’augmenter encore légèrement le régime maximal.

Des plus petites billes
Si le diamètre des billes en acier est plus petit, la force centrifuge diminue. La force centrifuge est en effet proportionnelle à la puissance trois du diamètre des billes. La chargeabilité du point de contact est proportionnelle au carré du diamètre des billes. Mais la surface de contact diminue à nouveau ce qui, à charge égale, augmente la tension de contact. Il faut de même placer plus de billes dans la bague.

Au vu de tous ces facteurs, on peut dire qu’une réduction de moitié du diamètre de la bille entraîne le doublement de la vitesse de rotation maximale.

Si l’on dote les billes d’un revêtement en nickel-chrome, le dégagement de chaleur est moins important, à l’instar des billes en céramique.

Hybride
Les roulements à bagues en acier et billes en céramique sont appelés roulements hybrides. L’avantage d’inaltérabilité découlant des roulements complètement en céramique placés dans un environnement agressif est réduit à néant par la présence de l’acier. Pour cette même raison, le bénéfice en termes de température disparaît. Les billes en céramique conservent toutefois un avantage dans les environnements chargés de particules solides. De fait, les particules solides sont pressées par les billes en céramique dans la bague en acier dur ce qui permet de ne pas endommager les billes. Il suffit dès lors d’une seule bille en céramique par roulement.

Nous distinguons par conséquent trois variantes de roulements à billes :

* les roulements en acier dotés d’une seule bille en céramique
* les roulements en acier dotés uniquement de billes en céramique
* le roulement entièrement en céramique


Lubrification
A l’instar des roulements à billes en acier, les roulements à billes hybrides doivent être lubrifiés à l’huile. La lubrification peut être seulement omise à des températures très basses pour peu que la longévité et l’utilisation soient courtes. Les roulements entièrement en céramique se contentent généralement d’une lubrification à l’eau. Les roulements plastiques à billes en céramique peuvent fonctionner sans lubrification lorsqu’ils sont très peu chargés.

Isolation
S’il s’avère nécessaire de prévoir une isolation électrique du roulement, le roulement en céramique est le plus conseillé. Néanmoins, pour des tensions plus faibles, on peut se contenter d’appliquer un revêtement céramique sur la surface extérieure.

Conclusion
Les exigences toujours plus strictes posées par les constructeurs de machines peuvent largement être compensées par les roulements à billes hybrides. Ceux-ci garantissent de fait des régimes plus importants, un niveau de vibration plus faible et une plus grande longévité. Le jeu et l’usure progressent moins vite par rapport aux roulements en acier. Des secteurs comme l’astronautique, qui utilisaient avec modération les roulements hybrides dans leur première phase, les envisagent maintenant de plus en plus dans les réducteurs, pompes et électromoteurs.