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Onze roulements intelligents

CHARLES FOUCAULT cfoucault@industrie-technologies.com
Produits deux en un, les roulements instrumentés intègrent la mesure à la fonction guidage en rotation. Grâce à eux, le système d'antipatinage ABS est maintenant de série sur la quasi-totalité des voitures. Vitesse, position, sens de rotation, température, vibration, effort... Autant de paramètres que les roulements contrôlent désormais. Après l'automobile, l'industrie se laisse séduire.

Intelligents ? Les roulements à billes ? Et oui, car ils sont devenus des composants mécatroniques : capteur et roulement ne font plus qu'un et c'est ce qui les rend si malins. « À la fonction de guidage en rotation vient s'ajouter une fonction de mesure des paramètres importants pour l'application : vitesse, position, sens de rotation, température, vibration, effort », liste Philippe Guérin, responsable du service technique industrie pour NSK France.

Réinventer le roulement n'est pas réinventer la roue. « On ne peut pas juste ajouter un capteur sur l'existant. Il n'y a pas de place, ça chauffe... », souligne Laurence Chérillat, secrétaire générale d'Artema, le syndicat de la mécatronique. Les industriels du secteur ont donc dû reprendre à la base la conception de leurs produits pour réussir à instrumenter ce composant essentiel de la mécanique. Les grandeurs mesurées sont codées en tension, en courant, ou en train de bits (numérique). Le signal est soit informatif pour l'utilisateur final, soit traité et transformé en ordres d'entrée pour le moteur impliqué (comme sur un régulateur de vitesse).

Il y a une quarantaine d'années, la volonté de mettre sur le marché des voitures disposant d'un système antiblocage des roues lors du freinage (ABS) n'est pas passée inaperçue des roulementiers, qui y ont vu un marché potentiel pour des produits à haute valeur ajoutée. Il leur a fallu de nombreux essais avant d'intégrer cette fonction dans leurs produits. C'est ainsi que SNR a inventé en 1996 l'ASB (Active sensor bearing), ou roulement-capteur actif, devenu un standard mondial. Le roulement équipé d'un joint d'étanchéité comportant une succession de pôles magnétiques indique en continu, via un capteur placé à proximité, la vitesse de rotation de l'axe de la roue. Information qui est envoyée à l'ordinateur de bord du véhicule. Dès que celui-ci constate une diminution importante et soudaine de la vitesse (freinage brutal), il régule la pression dans le circuit de freinage pour éviter que les roues se bloquent et que le conducteur perde le contrôle. L'ESP (Electronic stability program ou contrôle électronique de trajectoire) découle aussi de cette avancée.

Éoliennes et matériel ferroviaire

Depuis quelques années, l'industrie s'intéresse à ces technologies. Les chariots élévateurs en sont les plus gros consommateurs, suivis par les voiturettes (domestique, de golf ou d'aéroports), les engins de chantier, les machines agricoles, les moteurs de voitures électriques, le ferroviaire ou les plateaux tournants de machines-outils. Peu volumineux, faciles à intégrer dans la conception d'un produit, les roulements instrumentés convainquent peu à peu les industriels qu'ils peuvent se substituer aux coûteux systèmes à base de capteurs optiques, encore majoritairement utilisés pour connaître la position d'un axe tournant. Toutefois, ce marché reste confidentiel. « Nous fabriquons les roulements en grandes séries pour l'ABS, plus de 80 000 par jour, mais pour les moteurs électriques c'est encore du sur-mesure », indique Philippe Guérin.

La montée en cadence nécessaire à la baisse des coûts viendra, espèrent les roulementiers, de la démocratisation des voitures électriques. Face à ce marché potentiel, ils repensent la conception de leurs roulements intelligents. Le but : résister aux fortes perturbations électromagnétiques induites par la puissance des moteurs. L'un des enjeux n'est autre que la disparition de la colonne de direction mécanique. En connaissant, via des roulements instrumentés, la vitesse de chacun des moteurs placés dans les roues, on peut agir sur la commande de ces moteurs pour faire tourner la voiture. « Cela existe déjà sur des tracteurs agricoles dotés d'un volant secondaire », indique Yohann Thyrion, chef de produits actionneurs et roulements capteurs chez SKF. Pour la voiture particulière, « le marché n'est pas prêt. » Des évaluations sont toutefois en cours chez les constructeurs d'automobiles, mais les redondances qu'impliquent les exigences de sécurité augmentent substantiellement les coûts mis en jeu.

Au-delà du véhicule électrique, « le besoin de diagnostic à distance des machines tournantes, le développement des éoliennes et le matériel ferroviaire, vont être demandeurs de roulements instrumentés », affirme René Nantua, président du Thésame et ancien de chez SNR. Surtout que le système européen de contrôle des trains (ETCS) vise à remplacer la détection ponctuelle, par des systèmes infrarouges au sol, des échauffements anormaux des boîtes d'essieux, par un contrôle continu embarqué unifié au niveau européen. NTN-SNR a déjà des roulements capteurs de température avec autodiagnostic en test sur un train en circulation.

Des technologies multiples

Pour l'heure, seuls les roulements capables de mesurer vitesse, sens de rotation et position sont dans les catalogues. La mesure de la vitesse se base, dans la plupart des technologies proposées, sur un phénomène physique : l'effet Hall. Lorsqu'un champ magnétique traverse perpendiculairement un matériau conducteur parcouru par un courant, une tension est créée sur les flancs de ce matériau. Pour la mesurer, un aimant et un voltmètre sont insérés dans la bague externe du roulement capteur. « La bague interne est sertie d'une alternance de pôles nord et de pôles sud, explique Hervé Lénon, responsable de la division mécatronique chez NTN-SNR. La tension mesurée est proportionnelle aux champs magnétiques formés par le passage successif de ces pôles devant le capteur. Un signal sinusoïdal est obtenu. Sa période indique la vitesse de rotation. À l'aide d'un autre capteur intégré dans la bague externe, un second signal en décalage de phase est acquis. Un algorithme d'analyse des courbes générées donne le sens de rotation de l'axe. Enfin, des pôles particuliers sont ajoutés à espaces réguliers. Entre chacun d'eux, sont insérés des aimants d'un troisième type. Les champs magnétiques créés par l'association de ces bornes sont caractéristiques d'une zone et indiquent donc sa position.

Des services R&D en ébullition

Le problème de l'effet Hall, c'est qu'il ne fonctionne que sur des systèmes dynamiques. C'est le mouvement qui crée le champ électrique nécessaire à la mesure. Les constructeurs ont trouvé la parade pour obtenir un signal en statique : la mesure magnétorésistive, basée sur le fait que la résistance des matériaux évolue lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique. « Avec cette méthode, les capteurs sont beaucoup plus sensibles aux petits déplacements ou aux faibles vitesses, » indique Thomas Jaehnert, responsable du service applications chez Schaeffler-Fag.

Les constructeurs veulent désormais aller plus loin, leur R et D est en ébullition. « Les roulements intelligents capables de mesurer les efforts subis devraient arriver sur les étagères en 2011 ou 2012 », affirme Hervé Lénon. Ils sont basés sur une autre technologie : des jauges piézoélectriques transforment les efforts subis par le roulement en courant. Une innovation qui se montrera utile, par exemple, pour la stabilité des véhicules : ainsi équipés, ils pourront accélérer ou freiner automatiquement certaines roues pour compenser le déplacement des masses. Il faudra attendre un ou deux ans supplémentaires pour pouvoir s'équiper de roulements évaluant un besoin de maintenance, via un diagnostic de défaillance. Les laboratoires des fabricants travaillent sur la relation entre la mesure des vibrations et l'apparition des écaillages. Ils prévoiront ainsi le développement d'une fissure ou l'apparition d'une rupture.

Sur tous les fronts, le roulement capteur industriel se cherche. Il tâtonne en funambule, sur la tranche entre le prototype et la série. Mais ce qui est sûr, c'est qu'il va de l'avant.

SURCOÛT

Un roulement instrumenté coûte 5 à 20 fois plus cher qu'un roulement classique.

QUANTIQUE

NTN-SNR Roulements ASB-TMR Situé à la rencontre de la mécanique et de la spintronique, ce nouveau roulement est plus sensible et consomme 100 fois moins d'électricité que ses prédécesseurs. Il utilise, pour capteur, une série de résistances électriques. Chacune est composée de deux couches magnétiques conductrices séparées par une barrière isolante de quelques nanomètres d'épaisseur : la barrière tunnel. L'une des deux couches est sensible au champ externe à mesurer, l'autre lui reste insensible. La rotation de la bague interne fait varier l'orientation de la couche magnétique sensible. Les spins des électrons qui la composent sont modifiés, ce qui influe sur leur capacité à traverser la barrière tunnel. C'est cette variable qui est mesurée. FICHE TECHNIQUE Résolution 128 à 12 800 points par tour (en développement 100 000 points par tour) Température de fonctionnement - 40 à +170 °C Vitesse maximale 15 000 tr/min

DÉBRANCHÉ

NSK WIRELESS SENSOR BEARING Le constructeur japonais a fabriqué des roulements intelligents pour la surveillance de points stratégiques et difficiles d'accès sur des pompes de plateformes pétrolières. Ces produits sont sans fil et doté d'un générateur qui leur permet de transmettre par ondes radio la température et les vibrations mesurées. C'est la rotation même du roulement qui fournit l'énergie nécessaire à l'envoi des données par GSM, à la manière d'une dynamo. Une signature identifiant le roulement émetteur est associée à ces données. L'enjeu est d'éviter toute casse par fissuration ou échauffement. Ce produit n'a été réalisé que très ponctuellement et sur-mesure selon les besoins du client. FICHE TECHNIQUE Dimensions 50x110x27 (ISO 6310) Température de fonctionnement - 40 °C jusqu'à +120 °C Vitesse maximale 4 300 tr/min

GRAND PUBLIC

ccFAG BB RTS F-579008 En septembre, à l'Eurobike 2010, Bosch a présenté l'E-bike, son tout nouveau vélo électrique. Sur l'axe de pédalier, un roulement intelligent signé Fag mesure non seulement la vitesse et le sens de rotation, mais aussi le couple, en somatisant la force appliquée sur chacune des pédales. Ce contrôle en continu (plusieurs fois par secondes) de l'effort développé par le cycliste permet de déterminer précisément la puissance supplémentaire à lui fournir, et ainsi de commander le moteur électrique. Le roulement capteur embarqué met en oeuvre deux méthodes de mesure sans contact : l'effet Hall pour la vitesse et le sens de rotation ; un système magnéto-élastique pour le couple. FICHE TECHNIQUE Couple mesurable 0 à 90 Nm ± 1 % Résolution 16 points par tour Température de fonctionnement - 40 °C à + 85 °C Vitesse maximale 75 000 tr/min

« La standardisation permet de réduire les coûts »

THIERRY COUMERT RESPONSABLE ACHAT ROULEMENTS CHEZ LEROY SOMER

« Les roulements intelligents nous ont permis de remplacer les codeurs optiques pour le contrôle d'axes en rotation. Ces codeurs sont coûteux et volumineux : ils prennent 10 ou 15 cm de largeur alors que le roulement intelligent n'occupe que quelques millimètres. On en trouve désormais sur tous nos moteurs à vitesse variable. Leur intégration nous a contraints à adaptater notre ligne de production, notamment pour le câblage.Nous avons plusieurs sources mais nous nous fournissons à 95 % chez NSK. Pour faire baisser les prix, nous essayons de standardiser nos produits pour n'acheter qu'une seule référence. Si le roulement classique vaut environ 1 euro, son homologue instrumenté coûte 17 à 18 euros pour une commande de quelques milliers d'unités. »

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