Diagnostic des Roulements par Analyse Vibratoire
Module 4 / 5
4.1 Frequences de Defaut de Roulement (BPFO, BPFI, BSF, FTF)
Les roulements sont les composants les plus surveilles en maintenance predictive vibratoire. Chaque type de defaut — bague externe, bague interne, bille, cage — genere des impulsions a une frequence precise et calculable a partir de la geometrie du roulement. Connaitre ces frequences est la cle du diagnostic precoce.
Anatomie d'un roulement et parametres geometriques
Un roulement a billes standard se compose de quatre elements : la bague interieure (inner race), la bague exterieure (outer race), les elements roulants (billes ou rouleaux) et la cage (separateur). En fonctionnement normal, ces quatre elements roulent les uns sur les autres avec un contact theorie ponctuel (billes) ou lineaire (rouleaux), sans glissement.
Parametres geometriques cles
- Dm : Diametre primitif (pitch circle diameter) — diametre moyen du cercle passe par les centres des billes
- d : Diametre des elements roulants (billes ou rouleaux)
- Z : Nombre d'elements roulants
- α : Angle de contact entre l'element roulant et les bagues (typiquement 0° pour les roulements radiaux, 15-25° pour les roulements obliques)
- Fr : Frequence de rotation de l'arbre (Hz)
Principe de generation des impulsions
Quand un element roulant passe sur un defaut localise (piqure, ecaillage, fissure) sur une bague ou une bille, il genere un choc mecanique bref.
Ce choc excite les frequences propres du roulement et de sa structure environnante (frequences de resonance), generant une impulsion haute frequence amortie en quelques millisecondes.
La repetition periodique de ces chocs a la frequence caracteristique du defaut est ce que l'analyse vibratoire detecte et identifie.
Ou trouver les parametres geometriques ?
Les parametres d, Dm, Z et α sont fournis par le fabricant du roulement (SKF, NSK, FAG/Schaeffler, NTN, Timken...) dans leurs catalogues techniques ou bases de donnees en ligne. La plupart des logiciels d'analyse vibratoire (SKF @ptitude, Emerson AMS, Bruel & Kjaer Compass) integrent directement ces bases de donnees. Il suffit de saisir la reference du roulement pour obtenir les frequences BPFO, BPFI, BSF et FTF automatiquement.
Les 4 frequences de defaut : BPFO, BPFI, BSF, FTF
Chacune des quatre frequences correspond a un composant specifique du roulement. Elles sont toutes calculees a partir des memes parametres geometriques et de la frequence de rotation Fr. La convention internationale utilise l'acronyme anglais (Bearing Pass Frequency Outer/Inner, Ball Spin Frequency, Fundamental Train Frequency).
BPFO — Bague Exterieure
Ball Pass Frequency Outer race
Ce qu'elle mesure : frequence a laquelle chaque bille passe sur un defaut localise de la bague exterieure (fixe).
Ordre typique : 3 a 4 fois Fr. Le defaut le plus frequent (bague ext. supporte la charge maximale).
BPFI — Bague Interieure
Ball Pass Frequency Inner race
Ce qu'elle mesure : frequence de passage des billes sur un defaut de la bague interieure (tournante avec l'arbre).
Ordre typique : 5 a 7 fois Fr. BPFI > BPFO pour le meme roulement.
BSF — Bille / Element Roulant
Ball Spin Frequency
Ce qu'elle mesure : frequence de rotation de la bille sur elle-meme. Un defaut de bille genere 2 impacts par tour de bille (contact sur les 2 bagues).
Ordre typique : 2 a 3 fois Fr. En pratique : 2 × BSF dans le spectre.
FTF — Cage
Fundamental Train Frequency
Ce qu'elle mesure : frequence de rotation de la cage. Un defaut de cage genere des impulsions a FTF.
Ordre typique : 0,35 a 0,48 × Fr (sub-harmonique). Souvent confondu avec l'oil whirl !
Relation entre les frequences
Note importante : FTF = BPFO / Z. La cage tourne Z fois moins vite que la frequence de passage des billes sur la bague exterieure. De meme : BPFO + BPFI = Z × Fr (pour un roulement a angle de contact nul). Ces relations permettent de verifier la coherence de vos calculs.
Exemple de calcul complet sur un roulement 6210
Appliquons les formules sur un roulement standard SKF 6210, monte sur un moteur tournant a 1 500 tr/min (Fr = 25 Hz).
Parametres du roulement SKF 6210
Ratio d/Dm = 12,7 / 62 = 0,2048. cos(0°) = 1.
| Frequence | Formule appliquee | Resultat (Hz) | En ordres (x Fr) |
|---|---|---|---|
| BPFO | (10/2) × 25 × (1 − 0,2048) | 99,4 Hz | 3,98x |
| BPFI | (10/2) × 25 × (1 + 0,2048) | 150,6 Hz | 6,02x |
| BSF | (62/(2×12,7)) × 25 × (1 − 0,2048²) | 60,1 Hz | 2,40x |
| FTF | (25/2) × (1 − 0,2048) | 9,94 Hz | 0,40x |
Comment identifier ces frequences dans le spectre ?
Raie spectrale directe
Une raie apparait exactement a la frequence calculee (ex : 99,4 Hz pour BPFO).
Stade : debut de defaut, amplitude encore faible. Souvent accompagnee de bandes laterales espacees de Fr (modulation par la rotation).
Harmoniques de la frequence
Raies a 2×BPFO, 3×BPFO... indiquant un defaut plus avance.
Stade : defaut modere a severe. Plus le nombre d'harmoniques visibles est eleve, plus le defaut est avance.
Limites du calcul theorique et pieges courants
| Piege | Cause | Solution |
|---|---|---|
| Frequences legerement differentes des calculs | Glissement partiel des elements roulants (surtout a faible charge). Les formules supposent un roulement pur sans glissement. | Accepter un ecart de ±5% autour de la frequence theorique lors de la recherche dans le spectre |
| FTF confondue avec oil whirl | FTF (0,38-0,45x) se situe dans la meme plage que l'oil whirl (0,43-0,48x). La machine n'a pas de palier lisse mais une raie sub-harmonique apparait. | Verifier le type de roulement : si roulement a billes, c'est FTF. Si palier lisse, c'est oil whirl. |
| Raies BPFI masquees | BPFI est module en amplitude par Fr (la bague int. tourne). La raie BPFI peut etre entouree de sidebands ±Fr qui la noient. | Chercher la raie BPFI et ses bandes laterales espacees de Fr. Utiliser l'envelopping (module suivant). |
| Resolution insuffisante | Si Δf > 1 Hz, BPFO (99,4 Hz) et un harmonique de rotation (100 Hz = 4x) peuvent etre confondus. | Utiliser une resolution Δf ≤ 0,5 Hz pour separer les raies de roulement proches des harmoniques de rotation. |
| Roulement sain invisible dans spectre vitesse | Les defauts de roulement debutants ont une energie tres faible en basse frequence. Le niveau global en mm/s ne les detecte pas. | Utiliser la mesure en acceleration et la technique d'envelopping (voir chapitre 4.2). |
"Les frequences calculees sont un guide de recherche, pas une certitude. Cherchez toujours dans une fenetre de ±5% autour de la valeur theorique et verifiez la coherence avec les bandes laterales et les harmoniques."
Dans le prochain chapitre, nous allons voir comment la technique d'envelopping (demodulation d'amplitude) permet de detecter les defauts de roulement bien avant qu'ils ne soient visibles dans le spectre direct, en isolant les impulsions haute frequence generees par les chocs.