[Note : ceci est le premier article d'une série de quatre sur les roulements]
Cachés dans des recoins graisseux et poussiéreux, les roulements ont le pouvoir de transformer les performances d'un vélo. Pas étonnant que les ingénieurs s'y intéressent de près. Rien n'influence autant les roues et notre quête de l'excellence que les roulements. Plus on connaît les roulements, plus le montage des roues est rapide et précis. Dans notre recherche d'une précision optimale et d'une résistance au roulement minimale, la conception, le fonctionnement et le montage des roulements deviennent des facteurs essentiels.
Longtemps négligés, les roulements sont pourtant parmi les pièces les plus simples et les plus importantes d'un vélo. Ils transmettent la puissance, absorbent les chocs latéraux, réduisent les frottements et contribuent à l'équilibre d'une machine qui, autrement, serait instable ; le tout pour un poids, un coût et une reconnaissance minimes. Ces éléments dynamiques existent depuis l'invention de la roue et ont joué un rôle essentiel dans certaines des plus grandes réalisations de l'humanité.
RACINES DE L'ÂGE DE PIERRE
Lorsque les Néandertaliens faisaient tourner des bâtons au-dessus d'un point de contact central, générant suffisamment de chaleur pour allumer un feu, ils avaient en quelque sorte maîtrisé le concept de rotation autour d'un centre fixe. Cette combinaison de charge et de mouvement allait mener au développement de la roue. C'est aussi pourquoi le centre de la roue subit une usure concentrée. Pour réduire cette usure, l'homme utilisait des bois durs et de la graisse animale. Ces roulements étaient rudimentaires, mais au moins, le poids était transféré du dos au chariot.
À la fin de l'âge de pierre, des matériaux à faible coefficient de frottement et à résistance à l'usure accrue étaient disponibles. La métallurgie offrait des solutions moins adhérentes que le bois et plus durables, mais seule la mise au point des éléments roulants a permis de réduire le frottement des roulements à un niveau négligeable. Cette invention a dû attendre le XIXe siècle, qui a marqué le développement fulgurant de la bicyclette.
Les éléments roulants (initialement des billes) doivent être extrêmement ronds, lisses et de taille uniforme. Leur fabrication est une prouesse mécanique qui a nécessité la plupart des avancées de la révolution industrielle. Le principal obstacle résidait dans la dureté des matériaux. L'alliage du fer et du carbone a permis de créer un acier suffisamment dur pour résister à la concentration de la charge dans un petit roulement. Cette découverte, et les perfectionnements ultérieurs, ont rendu possibles les roulements à billes. Pour un aperçu de ces procédés fascinants, cliquez ici . Observez en particulier la fabrication des billes après 2 minutes.
AU REVOIR LES FROTTEMENTS
La réduction du frottement est miraculeuse. Archibald Sharp, dans son ouvrage de référence de 1896, « Bicycles and Tricycles » , affirmait que le frottement de roulement des billes est 1/1 000 du poids du cycliste. Autrement dit, grâce aux roulements à billes, il faut mille fois plus de force pour soulever son corps que pour le propulser vers l'avant (sur la même distance). De ce fait, moins de 1 % de l'énergie cinétique est absorbée par le frottement des roulements.
Un pour cent, c'est plutôt pas mal vu la puissance humaine. Les meilleurs athlètes sont réputés pour maintenir 500 watts pendant 40 minutes. Impressionnant, certes, mais sans vouloir offenser personne, ça fait moins de 0,75 cheval-vapeur. De quoi faire une tondeuse à gazon bien faiblard. Moi, je produis probablement moins d'énergie qu'un extracteur de jus. Il nous faudrait des roulements à billes !
Alors pourquoi les néglige-t-on souvent ? Parce qu’ils sont minuscules et que leur frottement a été considéré comme négligeable pendant plus d’un siècle. Plus de brevets relatifs aux roulements à billes ont été déposés pour les vélos que pour toute autre application. Aujourd’hui, la prolifération des moteurs électriques alimente une industrie qui fabrique des roulements à billes à faible frottement parfaitement adaptés aux vélos. L’industrie du cycle privilégie le confort, le coût, le poids et l’efficacité. Les roulements sont disponibles dans le commerce et le frottement reste négligeable.
Comment les roulements sont-ils si efficaces ? C’est simple : ils concentrent les charges sur de minuscules points de contact grâce à des matériaux très durs. Le poids total du vélo et du cycliste est transmis au sol par le mécanisme du roulement. À l’intérieur du roulement, chaque bille repose sur une piste en acier à un endroit microscopique. Grâce à l’utilisation de métaux extrêmement durs (indéformables) pour les deux surfaces, le frottement est lui aussi microscopique.
TOUTES FORMES ET TAILLES
Il existe plusieurs types de roulements utilisés sur les vélos. On trouve d'abord les roulements à billes, que nous avons déjà abordés. Viennent ensuite les paliers lisses, composés de surfaces parfaitement ajustées. Les bagues sont des paliers lisses. Les moyeux utilisent des roulements à billes. Les galets de dérailleur, les pivots de freins et les biellettes de suspension arrière utilisent souvent des bagues.
Les roulements peuvent être classés selon au moins deux critères principaux : la forme de l’élément roulant et l’angle de contact. L’élément roulant peut être une sphère (bille), un cylindre ou une forme conique ou cylindrique (toroïdale). Les roulements à billes offrent le plus faible frottement grâce à leur surface de contact réduite, tandis que ceux d’autres formes peuvent supporter des charges plus importantes du fait de leur surface de contact plus grande. Les vélos étant soumis à des charges relativement faibles comparées à de nombreuses autres machines, l’utilisation d’éléments roulants autres que des billes est peu fréquente.
Grâce à leur conception monoroue, les vélos et leurs roulements subissent peu de forces latérales. Par monoroue, j'entends une roue suivant l'autre. En virage, le vélo et le cycliste s'inclinent. Les forces G générées par le virage s'exercent dans le plan du cadre, jusqu'au point de contact pneu-sol. Du point de vue de la roue, il s'agit de charges radiales. Par conséquent, les roulements à billes à contact radial (annulaires) sont parfaitement adaptés.
La direction est un exemple de système où s'exercent des charges non radiales. Dans un jeu de direction, ces charges sont importantes et latérales par rapport au roulement. Or, un véhicule monochenille exige une faible friction au niveau de la direction. Pourquoi ? Comment ?
C'est ce que nous allons explorer dans le deuxième volet de notre série de quatre articles « Secrets cachés » consacrés aux roulements. Notre objectif : permettre aux monteurs de roues de comprendre le rôle essentiel des roulements pour construire des roues plus performantes et plus rapides, notamment lors du centrage du moyeu dans la jante grâce à une tension élevée et uniforme. Sans cela, vous pourriez croire que la roue elle-même est un obstacle à votre montage !
Les commentaires sont approuvés avant leur publication.
Tom Wray
novembre 02, 2021
Forces are not absorbed but resisted. Also, friction only exists when there is relative motion between two surfaces. Although ball bearings do slide a bit when in contact with the races and create friction, mostly there is rolling contact between the two surfaces with no relative motion and therefore no friction. It’s the deformations of the materials in contact that create opposing torques that oppose motion – the same idea as a wheel rolling on a surface, there’s no friction unless the tire slips on the road.