[Note : ceci est le deuxième article d'une série de quatre sur les roulements]
Les roulements à billes sont omniprésents sur votre vélo (vous seriez surpris), mais leur impact est le plus important à quatre endroits : les moyeux, le jeu de direction, le boîtier de pédalier et les pédales. Chaque situation est différente, mais la réduction des frottements prime sur tout le reste.
EN CASQUE ON A CONFIANCE
Les contraintes exercées sur le jeu de direction sont importantes et latérales par rapport au roulement. Or, un vélo mono-roue exige une faible friction au niveau de la direction. Pourquoi ? L'un des aspects les plus fascinants du fonctionnement d'un vélo est la stabilité de la direction. Pour rester en équilibre, il faut braquer doucement dans le sens de l'inclinaison, créant ainsi un virage progressif. La force centrifuge générée par le virage suffit à soutenir, voire à annuler l'inclinaison. Et voilà, la stabilité !
Pour que le maintien en équilibre soit quasi automatique, nous disposons d'un système de pilotage automatique qui amorce le virage et qui repose sur :
(1) Force gyroscopique de la roue avant
Lorsque le vélo s'incline, la roue tend à tourner dans cette direction. Au lieu de tomber, on tourne. Mais cette impulsion serait inutile si le jeu de direction faisait obstacle.
(2) Sentier
La relation entre l'axe de rotation de la direction et le point de contact de la roue avec le sol est appelée chasse. Sur un vélo, comme sur un chariot à roulettes, le point de contact avec le sol se situe en arrière de l'axe de rotation de la direction. En marche avant, la roue tend naturellement à rester droite.
(3) Moment de masse
Il a été récemment démontré que la masse du vélo située en avant de l'axe de direction induit un virage dans le sens de l'inclinaison. J'ai abordé ce sujet ici . Nous devons cette découverte à Jim Papadopolous et Andy Ruina de l'université Cornell. Plus récemment, des chercheurs de l'université de Delft, aux Pays-Bas, ont réalisé des tests physiques .
Ces trois effets sont négligeables comparés au poids, à l'énergie et aux influences extérieures lors de la pratique du vélo ; le jeu de direction doit donc présenter un frottement extrêmement faible pour une réactivité instantanée. Un jeu de direction à rotation libre, associé à un système de stabilisation ingénieux, facilite la position debout à vélo. En réalité, c'est même plus sûr que la marche pour assurer une bonne stabilité. Les chutes sont plus fréquentes à pied ou en courant qu'à vélo. Un progrès pour notre mobilité bipède, fruit de l'évolution ?
Un test brutal pour s'en rendre compte est de trop serrer un jeu de direction. Un vélo parfaitement équilibré et facile à piloter se transforme alors en une machine saccadée et difficile à maîtriser. Non merci ! Les roulements à billes constituent donc une excellente solution pour répondre aux exigences de faible friction des jeux de direction. Mais comment gèrent-ils les forces latérales ? Les points de contact des billes sont inclinés, contrairement aux moyeux où ils sont radiaux. Cet angle permet aux roulements de résister aux charges latérales.
OUVERT OU FERMÉ
Les mécaniciens de vélo connaissent tous la différence entre les roulements traditionnels à billes à cuvette et cône « ouverts » et les roulements à cartouche modernes « fermés ». Aujourd'hui, la tendance est nettement à ces derniers. Mais cela n'a pas toujours été le cas.
Un système à cuvette et cône présente deux avantages majeurs : le maintien des billes, parfaitement capturées par le déplacement du cône vers la cuvette. L’assembleur peut ainsi les installer facilement et régler le jeu du roulement en ajustant la course du cône. Un roulement à cartouche moderne ne permet pas un tel réglage. Pour fonctionner avec un jeu minimal, il doit être fabriqué avec une très grande précision, ce qui est impossible pour la plupart des vélos.
Le deuxième grand avantage du système à cuvettes et cônes réside dans sa grande tolérance aux défauts d'alignement. En cas de pièces mal fabriquées, tordues ou usées, un ensemble à cuvettes et cônes fonctionne sans à-coups, là où un système à cartouches se bloquerait. Depuis 150 ans, les roulements à cuvettes et cônes ont prouvé leur robustesse et restent, pour une grande partie du monde, la meilleure option. Entre les mains de Shimano et Campagnolo, qui continuent de proposer des moyeux à cuvettes et cônes, ce système pratique frôle l'excellence.
Alors, pourquoi les roulements à cartouche s'imposent-ils ? Ils bénéficient de l'avantage de la production de masse. Grâce aux normes internationales, non seulement les dimensions des billes sont prévisibles, mais l'ensemble du mécanisme est standardisé. La production de masse génère d'importantes économies, car les concepteurs de machines du monde entier partagent les mêmes dimensions de cartouches. Pour des applications de moyenne à haute qualité, les roulements à cartouche offrent le meilleur rapport qualité-prix et la plus grande variété.
Maxicar (FR) et Phil Wood (US) ont été parmi les premiers à intégrer des roulements à cartouche industriels dans les moyeux et les boîtiers de pédalier. Chris King (US) fut également parmi les premiers à proposer un jeu de direction à roulements étanches. L'utilisation généralisée des roulements à cartouche dans l'industrie du cycle n'a eu lieu qu'au début des années 1980 avec les moyeux étanches de Specialized, équipant de nombreux VTT de la première génération.
LABEL D'APPROBATION
Cependant, ces premiers composants à cartouche n'exploitaient pas pleinement leur potentiel économique. Il s'agissait pourtant de produits haut de gamme. Facilité d'entretien, étanchéité à vie, résistance aux intempéries : tel était le rêve des premiers roulements à cartouche. Après tout, on les appelait roulements « étanches », et non roulements « à cartouche ». Bien sûr, de telles performances n'étaient pas toujours au rendez-vous, mais l'idéal a perduré. WTB a développé Grease Guard pour permettre aux utilisateurs travaillant dans des conditions climatiques difficiles de réhydrater les composants « étanches ».
Pour retenir le lubrifiant, qui a tendance à fuir, et repousser les contaminants, responsables de la rouille et de l'usure abrasive, les roulements nécessitent une protection. Des écrans, des labyrinthes et des joints sont utilisés pour prolonger leur durée de vie. Les écrans sont conçus de manière à ne laisser qu'un très mince interstice par lequel les contaminants peuvent pénétrer. Ce système est efficace contre les grosses particules, mais pas contre les fines particules ou l'humidité. Les labyrinthes s'emboîtent sans contact et forment un chemin tortueux qui retient la graisse et empêche les contaminants de pénétrer. Cependant, leur poids peut être important et leur efficacité limitée. Les écrans et les labyrinthes sont plus performants lorsqu'ils sont utilisés en complément des joints.
Les joints d'étanchéité pour roulements les plus courants sont de type contact. Un lèvre très fin en uréthane assure un léger contact avec la bague intérieure du roulement. Si la finition de la bague est soignée et le contact légèrement lubrifié, ce type de joint est très efficace pour repousser la poussière et retenir la lubrification. Cependant, ce contact génère un certain frottement, qui, jusqu'à récemment, était peu pris en compte.
MYOPIE DE FRICTION
Pendant près d'un siècle, la plupart des ingénieurs ont considéré que la résistance au roulement des roulements à billes était négligeable, de l'ordre de 1 %. Or, à l'époque de ces premières mesures, les roulements fonctionnaient à l'huile. Les roulements modernes utilisent une graisse épaisse, ce qui augmente la résistance à la rotation. Cette estimation du rendement ne tient pas compte non plus des joints d'étanchéité, car les premiers vélos utilisaient des joints sans contact avec l'huile. Ce système était d'ailleurs très efficace. L'huile est un excellent lubrifiant à faible friction, mais sans joints d'étanchéité, elle fuit. Ce flux d'huile empêchait efficacement la contamination, mais il salissait aussi l'extérieur du vélo.
Les cyclistes modernes sont ravis de rompre avec le cycle des vélos gras (et des pantalons tachés). La graisse fut une première étape, suivie des roulements à cartouche étanches. Malheureusement, personne n'avait calculé la résistance au roulement. Un changement majeur se profilait.
Le prochain épisode de Dirty Secrets explorera les options de roulements rigides et nécessitant peu d'entretien pour une longue durée de vie. Restez à l'écoute pour Dirty Secrets n° 3.
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Anonymous
novembre 02, 2021
Well done Ric. A nice piece. I remember a couple of my headsets that developed indexed steering! That was fun.