Calcul de la capacité de charge des roulements: guide complet de la norme ISO 281

En tant que norme internationale de base pour la conception de roulements à rouleaux, l'ISO 281 fournit un cadre scientifique pour prédire la durée de vie des roulements et calculer la capacité de charge.Cet article aborde le contenu principal, des méthodes de calcul et des applications techniques de l'ISO 281, offrant des conseils pratiques aux ingénieurs dans la sélection et la conception des roulements.

1. Vue d'ensemble de la norme ISO 281

L'ISO 281, officiellement intitulé Rolling Bearings, est développé par l'Organisation internationale de normalisation (ISO).sa version actuelle est ISO 281La norme établit des méthodes uniformes pour le calcul de la durée de vie nominale des roulements,servant de base principale pour assurer la fiabilité du roulement et optimiser les performances du système mécanique.

2Évolution de l'ISO 281

La norme a été continuellement affinée pour s'adapter aux progrès des matériaux de roulement, des processus de fabrication et des scénarios d'application:

1962 (1re édition): a établi la formule de base de la vie basée sur la théorie de Lundberg-Palmgren, jetant les bases de la prédiction de la vie.

1977 (révision): introduit le facteur de matériau a1 pour tenir compte des différences de performance des matériaux de roulement.

1990 (révision): ajout du concept de limite de fatigue, élargissant la portée du calcul de la durée de vie pour les conditions de charge légère.

2007 (révision majeure): innovations clés intégrées, y compris le facteur de correction de durée de vie complet aISO, le facteur de contamination eC et des lignes directrices claires pour l'impact des conditions de lubrification.

2017 (modification): mise à jour de la méthode de calcul des paramètres du lubrifiant afin d'améliorer la précision de la prédiction.

3Les théories fondamentales de la vie

3.1 Théorie fondamentale de la vie (théorie de Lundberg-Palmgren)

Cette théorie est basée sur la distribution de Weibull et les relations stress-vie,définition de la durée de vie nominale de base (L10) la durée de vie que 90% de la population porteuse peut atteindre ou dépasser (exprimée en millions de tours)La formule est:

L10 = (C/P) ^p

Où:

L10: durée de vie nominale de base (million de tours).

C: Nombre de charges dynamiques de base (N) la charge radiale constante qu'un roulement peut supporter pendant L10 = 1 million de tours

P: Charge dynamique équivalente (N) ‡ la charge radiale/axiale combinée convertie en charge radiale équivalente.

p: Exponent de durée de vie (3 pour les roulements à billes; 10/3 pour les roulements à rouleaux).

Exemple de calcul: pour un roulement à billes à rainures profondes 6310 (C = 61,8 kN) sous une charge radiale pure Fr = 10 kN:

L10 = (61800/10000) ^ 3 ≈ 236 millions de tours

3.2 Théorie de la vie modifiée

Pour refléter les conditions de fonctionnement réelles (p. ex. lubrification, contamination, exigences de fiabilité), la durée de vie nominale modifiée (Lnm) est introduite:

Lnm = a1 · aISO · L10

Où:

a1: Facteur de fiabilité (ajusté pour une fiabilité autre que 90%, voir tableau 1).

aISO: Facteur de correction global (compte tenu de la lubrification et de la contamination), calculé comme suit:

aISO = f ((eC · Cu / P, κ)

Cu: limite de charge par fatigue (N) charge maximale pour une durée de vie infinie du roulement.

eC: Facteur de contamination (intervalle 0,1 à 1).0, voir tableau 2).

κ: rapport de viscosité (viscosité réelle du lubrifiant / viscosité requise, voir section 3.3).

4Paramètres et définitions clés

4.1 Facteur de fiabilité (a1)

Tableau 1: Facteur de fiabilité a1 pour les différentes exigences de fiabilité

4.2 Facteur de contamination (eC)

Tableau 2: Niveaux de contamination et valeurs eC correspondantes

4.3 Condition de lubrification: rapport de viscosité (κ)

La lubrification affecte directement la durée de vie du roulement; le rapport de viscosité κ quantifie l'efficacité de la lubrification:

κ = ν / ν1

Où:

ν: viscosité réelle du lubrifiant à température de fonctionnement (mm2/s).

ν1: viscosité de référence (pour n > 1000 tr/min):

ν1 = 45000 · n^ (­0,83) · dm^ (0,5)

n: vitesse du roulement (rpm).

dm: diamètre moyen du roulement (mm) = (d + D)/2 (d = diamètre intérieur; D = diamètre extérieur).

Classification de l'état de lubrification:

κ < 0.4: lubrification limite (risque d'usure élevé).

0.4 ≤ κ < 1: lubrification mixte (fiabilité modérée).

κ ≥ 1: lubrification à film complet (protection optimale).

5. Applications de l'ingénierie de l'ISO 281

5.1 Flux de travail de sélection des roulements

Calculer la durée de vie nominale de base (L10) à l'aide de la formule fondamentale.

Évaluer les conditions de fonctionnement réelles (contamination, lubrification, besoins en fiabilité).

Déterminer les facteurs de correction (a1, aISO).

Vérifiez si la durée de vie nominale modifiée (Lnm) satisfait aux exigences du système.

5.2 Scénarios d'application typiques

Boîtes de vitesses d'éoliennes: nécessitent L10 > 175 000 heures pour assurer une fiabilité à long terme.

Les centres routiers automobiles: les calculs de durée de vie modifiés doivent tenir compte des charges d'impact dues aux conditions de la route.

Spindles de machines-outils: exigent une grande précision, nécessitant κ > 4 (lubrification à film complet).

5.3 Limitations de l'ISO 281

La norme ne s'applique pas à:

Des roulements simples ou en plastique.

Conditions de température extrêmes (< -40°C ou > 150°C).

Il ne prend pas non plus en considération:

Erreurs d'installation, piqûres électriques ou corrosion chimique.

6Comparaison avec d' autres normes

Tableau 3: Comparaison de l'ISO 281 avec les normes pertinentes

7. Derniers développements

Les recherches en cours visent à améliorer l'applicabilité de l'ISO 281:

Modèles de prévision de la durée de vie des roulements en céramique.

Les méthodes de calcul précises pour les états de lubrification mixtes.

Nouveaux facteurs de correction qui tiennent compte des traitements de surface (p. ex. revêtement).

8Conclusion

L'ISO 281 fournit une approche systématique de la prédiction de la durée de vie des roulements, mais une application réussie nécessite de combiner des calculs théoriques avec une expérience en ingénierie.

Utiliser des calculs prudents pour les composants critiques afin d'assurer la sécurité.

Surveiller régulièrement l'état de l'huile pour mettre à jour le rapport de viscosité κ.

Valider les conceptions par des essais de banc pour des conditions de fonctionnement complexes.

En adhérant à la norme ISO 281, les ingénieurs peuvent optimiser la sélection des roulements, réduire les coûts de maintenance et améliorer la fiabilité globale des systèmes mécaniques.