Quelle est la différence entre les charges radiales et les charges axiales ?

Qu’est-ce qu’une charge radiale ?

Une charge radiale est une force qui agit perpendiculairement à l’axe de l’arbre, suivant un rayon. La gravité sur un arbre horizontal en est l’exemple le plus simple : l’arbre appuie vers le bas sur le fond de l’alésage du palier. La tension d’une courroie, la traction d’une chaîne, l’effort de séparation entre deux pignons droits, les forces de balourd et la réaction sur l’axe d’un pivot sont toutes des charges radiales.

Dans un palier lisse, la charge radiale est reprise par la surface de glissement cylindrique. L’arbre ne touche pas tout l’alésage : il repose sur un arc chargé que le calcul assimile à la surface projetée, diamètre d’alésage × longueur. C’est pourquoi la pression spécifique d’une bague s’écrit p = F / (d × L) : la même force, sur une bague plus longue ou de plus grand alésage, donne une pression plus faible.

Qu’est-ce qu’une charge axiale ?

Une charge axiale, aussi appelée poussée ou effort axial, agit parallèlement à l’axe de l’arbre. Elle cherche à faire traverser le palier par l’arbre plutôt qu’à l’appuyer en travers. Elle provient de la réaction d’une roue de pompe ou d’une hélice, de la composante axiale des engrenages hélicoïdaux ou à vis sans fin, de l’effort de serrage le long d’une vis ou d’une broche, ou encore du poids d’un arbre vertical.

Un alésage cylindrique ne peut pas reprendre une charge axiale : l’arbre glisserait simplement au travers. La poussée est reprise par une face plane perpendiculaire à l’axe : une rondelle de butée entre l’épaulement de l’arbre et le logement, la collerette d’une bague à collerette, ou la face d’extrémité d’une bague contre un épaulement de l’arbre. La pression spécifique est la force divisée par la surface de la face de butée, p = F / A, où A est la surface annulaire de la rondelle ou de la collerette, rainures déduites.

Exemples de charges radiales et axiales

Une même machine réunit généralement les deux. L’axe de flèche d’une pelle hydraulique reprend radialement le poids de la flèche et la réaction de creusement, tandis que les efforts latéraux sur le godet créent une poussée axiale aux extrémités de l’axe. L’arbre d’une pompe centrifuge subit une charge radiale due au déséquilibre hydraulique de la roue et une charge axiale due à la différence de pression de part et d’autre de la roue. Un moyeu de roue de véhicule porte radialement le poids du véhicule et axialement l’effort en virage.

Charges combinées : comment les reprendre

La plupart des articulations subissent les deux charges à la fois. Trois montages permettent de les reprendre. Une bague cylindrique avec une rondelle de butée séparée garde chaque charge sur sa propre surface, et chacune peut être dimensionnée et remplacée indépendamment : c’est le montage habituel des machines lourdes. Une bague à collerette réunit les deux fonctions dans une seule pièce : le corps cylindrique reprend la charge radiale, la collerette reprend une charge axiale faible à modérée et, en même temps, positionne la bague dans le logement. Une paire de bagues avec épaulements sur l’arbre constitue le troisième montage, courant dans les petits mécanismes.

La collerette d’une bague à collerette n’est pas un véritable palier de butée. Elle est mince, sa face arrière n’est généralement pas lubrifiée et sa surface est petite : elle convient aux efforts de positionnement et à une poussée occasionnelle, pas à une charge axiale continue. Dès que la composante axiale est significative, spécifiez une rondelle de butée.

Ce que chaque charge fait subir au palier

La charge radiale détermine la pression sur l’arc chargé, le film hydrodynamique dans un palier lubrifié à l’huile et, par l’intermédiaire du jeu de fonctionnement, l’excentrement de l’arbre. Une charge radiale trop élevée pour le matériau provoque le fluage plastique de la couche antifriction (bronze et bimétal), le fluage à froid du polymère (PTFE, POM) ou une fissuration par fatigue sous charge cyclique. Le désalignement transforme une charge radiale répartie en une charge de bord à une extrémité de l’alésage : c’est la cause la plus fréquente de défaillance prématurée des bagues de pivot.

La charge axiale détermine la pression sur la face de butée. Les faces de butée étant petites et leur vitesse de glissement augmentant avec le rayon, elles chauffent davantage qu’une bague à pression égale ; c’est généralement la limite PV, et non la limite de charge, qui est dépassée la première. Le lubrifiant doit être amené sur la face par des rainures radiales, car il ne peut pas y entrer par le côté comme dans une bague.

La pression spécifique p et la vitesse de glissement v se vérifient séparément par rapport aux valeurs p max, v max et (p·v) max du matériau. Atteindre l’une des limites ne laisse aucune marge pour les autres.

Facteurs qui modifient la répartition de la charge

Le calcul nominal suppose une charge uniformément répartie sur la surface projetée. En pratique, plusieurs facteurs dégradent cette répartition.

• Désalignement entre l’arbre et le logement : il concentre la charge radiale à une extrémité de l’alésage (charge de bord). Les montages auto-alignants, une bague plus courte ou un siège sphérique l’atténuent.
• Rapport longueur/diamètre : une bague longue et élancée (L/d supérieur à 1,5 environ) est plus sensible au désalignement ; une bague courte (L/d inférieur à 0,5) porte moins de charge et laisse s’échapper davantage de lubrifiant.
• Jeu de fonctionnement : un jeu trop faible affame le film et grippe le palier ; un jeu trop grand laisse l’arbre s’excentrer et marteler la bague sous charge alternée.
• Rigidité du logement : un logement mince ou fendu laisse la bague se déformer sous charge, et l’alésage ne reste pas rond.
• Chocs et inversions : les charges cycliques et alternées fatiguent la couche antifriction à une pression plus basse qu’une charge constante ; c’est la limite de charge dynamique qui s’applique, pas la limite statique.
• Dilatation thermique : en température, l’arbre, la bague et le logement se dilatent différemment et le jeu change ; le jeu se règle pour la température de service, pas pour la température de montage.

Comment calculer la pression spécifique

Pour une bague cylindrique d’alésage d et de longueur L soumise à une force radiale F, la pression spécifique vaut p = F / (d × L). Pour une rondelle de butée de diamètre intérieur d₁ et de diamètre extérieur d₂ soumise à une force axiale F, la surface de la face vaut A = π (d₂² − d₁²) / 4, rainures déduites, et p = F / A. La vitesse de glissement d’une bague en rotation vaut v = π d n / 60 (d en mètres, n en tr/min) ; pour une rondelle, on prend le diamètre moyen (d₁ + d₂) / 2.

Exemple chiffré : une bague en bronze de 50 mm d’alésage × 60 mm de longueur, chargée radialement à 60 kN, travaille à p = 60 000 / (50 × 60) = 20 N/mm². À 30 tr/min, la vitesse de glissement vaut π × 0,050 × 30 / 60 = 0,079 m/s, d’où p·v = 1,6 N/mm²·m/s. Les deux valeurs sont ensuite comparées aux limites publiées pour le matériau retenu.

Notre calculateur de charge de palier fait ces calculs pour les bagues et les rondelles. Lorsque le service approche d’une limite, joignez-le à votre demande : nous confirmons le matériau en regard de ces valeurs.

Choisir l’élément de palier selon la charge

Pour une charge principalement radiale, spécifiez une bague cylindrique et dimensionnez-la d’après p et p·v : bronze lubrifié, bimétal ou acier trempé pour les services lourds et lents ; composite PTFE, bronze à plots de graphite ou bronze fritté lorsque l’articulation ne peut pas être graissée. Pour une charge principalement axiale, spécifiez une rondelle de butée dans les mêmes matériaux et amenez le lubrifiant sur la face par des rainures radiales. Pour une charge combinée, prenez une bague plus une rondelle si la poussée est continue, ou une bague à collerette si elle ne fait que positionner l’arbre ou n’apparaît qu’occasionnellement.

Quel que soit le montage, indiquez dans la demande la direction, l’intensité et le cycle de la charge. Le plan montre la géométrie ; seules les charges nous disent quel matériau y survivra.