Les secrets inavouables des roulements à billes, partie 3

février 26, 2015 6 Commentaires

La mobilité est un travail
Plus la mobilité est efficace, plus l'organisme a de chances de réussir. Les saumons et les goélands en sont d'excellents exemples, mais les humains ne sont pas loin derrière. Notre capacité à nous déplacer en dépensant relativement peu d'énergie est essentielle à l'histoire humaine. La bipédie, la transpiration, la souplesse du pied et d'autres caractéristiques physiologiques ont permis aux chasseurs autochtones de poursuivre leurs proies à pied pendant plusieurs jours.

Nous exigeons la même efficacité des vélos et ils sont à la hauteur. Après tout, regardez qui les a fabriqués ! Les roulements, bien sûr, sont essentiels. Minimiser leur friction est l’une de nos priorités absolues.

Rares sont les vélos anciens qui utilisaient aujourd'hui des roulements à billes sphériques qui continuaient de tourner même si l'axe était tordu. De nos jours, on évite de tordre les axes, mais il faut reconnaître que l'idée était ingénieuse.

Avant l'avènement des roulements à cartouche, les roulements à billes libres réglables régnaient en maîtres dans le monde du vélo. Shimano et Campagnolo les utilisent encore dans nombre de leurs moyeux haut de gamme.

Un système à cône et cupule présente un contact angulaire plutôt qu'annulaire.

Pourquoi angulaire ?
La plupart des gens pensent que cela est dû aux charges latérales régulières que subit un moyeu. C'est vrai pour un véhicule à 3 ou 4 roues, mais les charges latérales sur un monorail sont relativement faibles et statistiquement rares. La meilleure raison est qu'il est beaucoup plus facile de trouver un réglage optimal du roulement, où la friction et le jeu latéral sont minimaux.

Le jeu latéral est important non seulement à cause du bruit et de la tenue de route imprécise, mais aussi en raison du risque d'harmoniques. Les véhicules légers (comme les motos et les avions) sont sensibles aux vibrations harmoniques. C'est pourquoi les vols d'essai, avant l'ère de la modélisation informatique, étaient si angoissants. De nombreux avions (et hélicoptères) ont échoué car des vibrations harmoniques impossibles à amortir ont provoqué la rupture de leur structure. Les voitures et les locomotives présentent moins de risques car il faut beaucoup plus d'énergie pour faire vibrer des masses importantes.

Nous connaissons tous les guidonnages à haute vitesse sur un vélo. Ils provoquent rarement une chute grave, mais exigent une concentration intense pour être maîtrisés. Le jeu des roulements aggrave, voire favorise, ces guidonnages. Il est donc essentiel de le minimiser. Le roulement à contact oblique est réglable, contrairement au roulement annulaire, fabriqué sur mesure. Les roulements annulaires actuels sont si performants que, lorsqu'ils sont placés aux extrémités d'un moyeu, aucun jeu n'est souvent perceptible. Un léger jeu peut être éliminé en appliquant une légère charge latérale sur une paire de roulements annulaires, ce qui n'entraîne qu'une faible augmentation du frottement.

Rien de tout cela n'est comparable au frottement dû à la graisse et aux joints. Chester Kyle a mené des tests qui auraient dû alerter le monde entier sur ce facteur. Dans un cas précis, il a fait osciller un poids de 4,5 kg (10 livres) à l'aide d'un pendule fixé à un moyeu équipé de roulements à cartouche étanches. Il a ensuite retiré les joints et la graisse, puis a répété le test. Le pendule a oscillé 20 fois plus longtemps. Il a estimé que les joints et la graisse étaient responsables d'une augmentation de 3 à 5 % de la résistance au roulement totale du vélo. Il est clair que nos choix influent sur les performances ; le frottement des roulements est loin d'être négligeable. Comme nous utilisons tous des roulements similaires, le sujet est souvent ignoré, un peu comme les plaintes concernant la densité de l'air, qui est une évidence. Mais le frottement des roulements n'est plus considéré comme acquis.

Attention à la céramique
Un nouveau chapitre s'ouvre pour les roulements à billes de vélo. Il est inauguré par l'adoption généralisée des roulements en céramique par les cyclistes professionnels. Ces sphères en nitrure de silicium, et non en véritable céramique, sont plus légères, plus dures, plus lisses et plus rondes que les meilleurs roulements en acier. Associés à des bagues en acier au chrome de haute qualité, ils sont appelés roulements hybrides et constituent une véritable révolution dans le monde du cyclisme et d'autres sports. Inventés il y a près de 25 ans par le géant suédois des roulements, SKF, ces roulements équipent désormais les vélos.

La question n'est pas de savoir si cette dépense est justifiée pour votre propre pratique du vélo. Ces roulements illustrent simplement l'importance cruciale de ces pièces. Un exemple parfait.

Les roulements en céramique intégrés à ce boîtier de pédalier offrent des gains de performance considérables, réduisant la résistance au roulement jusqu'à 4 %. C'est comme du dopage sans les inconvénients.

Les patineurs en ligne, dont les roues tournent des milliers de fois par minute, ont été parmi les premiers à adopter les roulements en céramique. Puis ce fut le tour de la Formule 1 (jusqu'à 250 000 $ par voiture), et maintenant du cyclisme. Les roulements en céramique sont omniprésents dans les compétitions UCI de haut niveau, sur route comme en VTT. Montés sur les moyeux, les boîtiers de pédalier et les galets de dérailleur, ces roulements représentent la dernière avancée en matière de performance et, contrairement à de nombreuses « améliorations » par injection, ils sont parfaitement homologués.

Les avantages sont doubles : d’une part, la bille en céramique est trois fois plus dure que l’acier. Outre une durée de vie considérablement prolongée, elle réduit également le frottement. Aussi surprenant que cela puisse paraître, toutes les billes se déforment légèrement sous la charge. Cette déformation microscopique constitue la principale source de frottement dans un roulement. Moins de déformation signifie moins de frottement.

Tout comme la truffe en cuisine, utiliser des billes en céramique est inutile si les autres composants sont de qualité inférieure. Le second avantage réside donc dans la meilleure étanchéité, la lubrification et les cages de retenue que permettent les roulements en céramique, plus durs et plus lisses. Moyennant un coût plus élevé, il est possible d'utiliser des joints à très faible friction, indisponibles sur les roulements industriels. De même, la graisse résistante aux intempéries peut être remplacée par un lubrifiant à très faible viscosité. La plupart des roulements utilisent une cage de retenue pour séparer les billes. Si les billes se heurtent, la friction augmente car elles tournent en sens inverse au moment du contact. Contrairement aux cages de retenue métalliques des roulements traditionnels, certains roulements en céramique sont dotés de cages à faible friction fabriquées en polyamides spéciaux.

Bon nombre de ces améliorations non céramiques (joints d'étanchéité plus performants ou moins nombreux, graisse/huile plus légère, etc.) sont accessibles à tous et, comme l'a souligné Chester Kyle il y a 25 ans, elles réduisent considérablement le frottement. Mais lorsqu'elles sont associées à des billes en céramique, le roulement atteint un tout autre niveau de performance.

Le chapitre suivant et dernier de cette exploration des roulements détaille leur influence sur le montage des roues. Comprenez le rôle du moyeu et ne laissez pas les roulements perturber votre montage.

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