LES ROULEMENTS

Ua roulement à billes se compose essentiellement (fig. 91) d’un axe A qui porte une pai’tie renflée C appelée cône. Sur le cône roule, sans glisser, une couronne de billes B qui sont maintenues par une bague circulaire D appelée cuvette. L’ensemble du cône C, de la cuvette D et des billes B forme ce qu’on nomme une boîte à billes. Un roulement

Fig. 91.

complet comprend deux boîtes à billes, une à chaque extrémité de l’axe A.

Une bicyclette a des roulements à billes : dans les moyeux des deux roues, au pédalier et dans les pédales. On pourrait encore citer les boîtes à billes de la douille de direction, mais les deux premiers roulements sont les seuls importants et qui méritent d’être étudiés de près.

Un roulement à billes est réglé lorsqu’il ne comporte aucun jeu. Ce réglage peut s’obtenir de deux façons différentes : soit par un déplacement du cône, soit par un déplacement de la cuvette. Ceci permet déjà de séparer les roulements en deux catégories.

D’autre part, on peut encore distinguer les roulements en deux classes, suivant le nombre des points de contact des billes avec le cône

et la cuvette. Dans les roulements à deux contacts, chaque bille touche le cône et la cuvette, chacun en un point. Au contraire, dans le cas de trois contacts, la bille touche le cône en un point et la cuvette en deux points, ou inversement.

En somme, on emploie, actuellement, dans les bicyclettes, quatre catégories de roulements qui se groupent de la façon suivante :

Réglage par le cône Réglage par la cuvette

) (A), deux contacts (flg. 92),

) (B), trois contacts (fig. 103 et 104) ; ( (G), deux contacts (flg. 93),

( (D), trois contacts (flg. 94).

De ces quatre combinaisons, quelle est la meilleure ?

C’est là une question qui ne comporte pas de réponse générale, car le choix du dispositif doit dépendre, essentiellement, du rôle que joue le roulement.

Une étude approfondie des roulements (‘) conduit aux conclusions suivantes :

1“ Dans un roulement à deux contacts, le frottement des billes sur le cône est plus grand que sur la cuvette. Pour que le travail perdu dans ce frottement soit le plus petit possible, il faut que l’angle de la droite des contacts avec l’axe soit voisin de 90“ et que les billes soient petites ;

2“ Dans un roulement à trois contacts, la disposition peut et doit être choisie de telle sorte que le frottement sur le cône soit presque nul. On diminue le frottement sur la cuvette en prenant de grosses billes.

Ces résultats énoncés, faisons la remarque suivante ;

Dans un roulement, il y a toujours une des deux pièces, cuvette ou cône, qui est fixe. Celle-ci supporte toujours le frottement aux mêmes points. Au contraire, dans celle qui est mobile, les points où se développe le frottement des billes se déplacent. Il en résulte, évidemment, qu’il faut toujours choisir le dispositif de façon que le frottement sur la pièce flxe soit le plus faible possible, car ce frottement ayant toujours lieu aux mêmes points, l’usure doit y être plus rapide que dans l’autre où le frottement se répartit, successivement, sur toute la surface.

Dans les roulements du pédalier, c’est la cuvette qui est flxe et l’axe

(1) Voir, à la fia du volume, l’Appendice : Étude sur les roulements a billes, p. 204.—Ou pourra aussi consulter l’ouvrage de M. Sharp, liicycles and Tricycles, pages 368 à 30S.

portant les pédales qui est mobile. Au contraire, dans les roulements d’u ne roue, Taxe est fixe et la cuvette, liée au moyeu, tourne autour de lui.

Ce qui 'précède nous conduit alors à 'préférer les roulements à deux contacts pour le pédalier et les roulements à trois contacts pour les roues.

Certaines maisons adoptent, probablement pour uniformiser leur construction, un seul mode de roulements. C’est alors le roulement à deux contacts qui semble s’imposer. En effet, les roulements du pédalier sont, sans conteste, ceux qui fatiguent le plus, car les roulements des roues supportent des pressions beaucoup moins variables. Si donc on choisit un mode unique de roulements, c’est celui qui convient le mieux au pédalier, c’est-à-dire le roulement à deux contacts, qu’il faut prendre. C’est, par exemple, la solution à laquelle se sont arrêtées la maison « Gladiator » et plusieurs usines françaises.

En ce qui concerne le mode de réglage, la vogue est, actuellement, au réglage par la cuvette.

Théoriquement, il n’y a pas de raison de préférer l’un des réglages à l’autre.

Pratiquement, le réglage par la cuvette paraît présenter les avantages suivants : la boîte à billes est mieux close, la poussière y pénètre moins ; en second lieu, il paraît se prêter plus aisément aux moyeux et pédaliers étroits dont la mode s’afiQrme de plus en plus. En revanche, il est peut-être plus délicat à construire et de forme plus compliquée.

Entrons maintenant dans quelques détails descriptifs.

Roulements du pédalier.

Le plus simple des pédaliers est certainement celui dont le réglage se fait par le cône, appartenant aux catégories (A) et (B).

La figure 92 représente un pédalier de la classe (A), à deux contacts et réglage par le cône. Sur l’axe A est fixé invariahlement le cône F, à l’extrémité de gauche ; l’extrémité de droite est filetée et porte le cône mobile C qui se visse sur elle. Le réglage effectué, le cône G est maintenu en place par un contre-écrou E. Lorsque le roulement est bien conçu, le pas de vis doit avoir un sens tel que le frottement des billes, en marche, tende à desserrer le cône. Dans ces conditions, le léger frottement dans la boîte à billes tend à maintenir le cône C bien serré contre l’écrou E. Dans le cas contraire, si, par hasard, le frot-

tement dans la boîte à billes augmente, le cône G se détache de l’écrou E, la boîte se resserre et le roulement se bloque.

Fig. 92. — Roulement ordinaire (A).

On remarque, sur la ligure 92, qu’entre le cône G et la cuvette, il reste une ouverture assez notable par où la poussière peut pénétrer aisément. Pour éviter cet inconvénient, on avait imaginé de munir le cône G d’un rebord qui entourait extérieurement la cuvette ; c’était ce qu’on appelait les roulements à recouvrements (voir plus loin, flg. Î03 ^ 103). On a abandonné, généralement, ces roulements car, dès qu’ils prenaient du jeu, le recouvrement frottait sur la cuvette, ce qui était très fâcheux.

Fig. 93. — Roulement <c Enfield » ; dispositif (C).

Dès 1894, on a construit des roulements réglables par la cuvette, des catégories (G) et (D).

Dans ceux de la catégorie (C), l’axe A (flg. 93), et les deux cônes

qu’il porte étaient coulés d’un seul bloc. Les deux cuvettes D et D' étaient vissées dans le pédalier P. La cuvette D', située du côté de la roue dentée, n’était déplacée que lorsqu’on voulait démonter tout le roulement. Le réglage se faisait par la cuvette D. Ces cuvettes étaient maintenues en place par des vis de serrage V et V' dont l’extrémité venait buter sur les filets. Ce procédé de bloquage des cuvettes était évidemmient défectueux, car il détériorait les pas de vis. On l'a modifié depuis.

La figure 94 représente un pédalier de la catégorie (D) à trois contacts. Ici, le tube du pédalier est fendu à ses extrémités ; la fente est bordée de deux oreilles O dans lesquelles s’engage une vis V qui les

Fig. 94. - Roulement « Enfleld »; dispositif (D).

rapproche. Les deux extrémités du tube du pédalier forment ainsi, en quelque sorte, des colliers de serrage qui maintiennent les cuvettes.

Le dispositif le plus récent est celui de la figure 93. La cuvette C est vissée à fond une fois pour toutes. Le réglagé se fait par la cuvette B qui est maintenue en place par un contre-écrou A. C’est certainement ce qu’il y a de meilleur.

Citons encore le pédalier « Sphère » Dayton (fig. 96).

Ce qu’il a de spécial, ce n’est pas la forme de sphère creuse qu’affecte le pédalier, mais la disposition spéciale des roulements. Ce sont des roulements à trois contacts mais dans lesquels, à l’encontre de ce que l’on fait d’ordinaire, chaque bille touche le cône G en deux points

et la cuvette en un seul point. Lorsqu’on dévisse le cône G, il entraîne avec lui les billes qui y sont maintenues par une bande protectrice.

Fig. 96. — Pédalier i Dayton » ; dispositif (B).

Les combinaisons que nous venons de décrire sont relativement déjà anciennes et pour pouvoir bien faire saisir l’intérêt des modifications, toutes nouvelles, apportées au pédalier, il nous faut nous livrer à une petite étude théorique qui ne sera, d’ailleurs, pas sans utilité :

Représentons schématiquement le pédalier. Soient AA' [flg, 97 (1 )'l l’axe, B et B' les boîtes à billes, R le pignon denté monté sur l’axe en

Fig. 97.

G. Calculons les pressions maxima Q et Q' supportées par les boîtes à billes.

Si l’on fait abstraction du poids de l’axe qui est négligeable, l’ensemble représenté dans la figure 97 est soumis à deux forces : la pression P sur la pédale et la tension T de la chaîne. La pression P est, sensiblement, appliquée au milieu I de la pédale [fig. 97 (2)]. Cette pression n’est pas tout entière utilisée, car elle n’est pas, en général, dirigée suivant la normale IN à la manivelle. Désignons par (3 l’angle que fait cette pression avec la normale IN. Adoptons, ensuite, les notations suivantes, en désignant par O le milieu de l’axe ;

OB = O, 2(1 est la distance des boîtes à billes;

OC = 6, distance de la roue dentée au milieu O de l’axe ;

IH = c ) c-|-c'est la distance, comptée parallèlement à AA', des mil'H'= c' \ lieux des deux pédales ; r, . rayon de la roue dentée ;

IA =m, longueur d’une manivelle;

P,.pression totale sur la pédale;

avec la normale à la manivelle.

angle de cette pression

Par un calcul facile, que nous croyons Inutile de reproduire ici, on trouve que :

1“ La pression maximum- dans la boîte B, située près de la roue dentée, a lieu lorsqu’on presse sur la pédale I et a pour valeur :

2“ La pression maximum dans la boîte B', située du côté opposé à la chaîne, a lieu lorsqu’on presse sur la pédale 1' et a pour valeur ;

Comme on le voit, on a toujours :

Pratiquement, d’après les expériences de M. Bouny sur la pression du pied sur la pédale, la valeur moyenne de cosjS est environ-^ (i).

Ces deux formules [1] et [2] vont nous permettre de tirer des conclusions intéressantes.

Il est clair qu’un roulement sera d’autant meilleur que les pressions maxima Q et Q' seront plus faibles. Comme Q est celle des deux pressions qui est la plus forte, c’est elle qu’il faut chercher à réduire.

Dans les dispositifs que nous avons décrits jusqu’ici, le schéma du roulement est toujours analogue à celui de la figure 97; on a donc toujours :

^ > 1 et ■" > !•

Voyons, alors, l’effet d’une réduction du pédalier.

Si, sans changer le dispositif, en conservant les mêmes boîtes à billes, on raccourcit le tube du pédalier, on diminue les trois longueurs a, b, c de la même quantité. Or, d’après une proposition arithmétique élémentaire, lorsqu’on diminue les deux termes d’une fraction plus grande que 1 de la même quantité, cette fraction augmente.

Il en résulte que les deux rapports — et - augmentent et que la pression maximum Q croît. Comme le travail perdu dans les frottements des billes est proportionnel à la pression, ce travail augmente lorsqu’on réduit ainsi le pédalier.

L'adoption du pédalier étroit, sans modification de ta disposition des roulements, a donc pour effet d’augmenter la pression dans les boîtes à billes et, par suite, d'augmenter les frottements et l'usure.

U) Voir : Boüky, Mesure du travail dépensé dans l’emploi de la bicyclette (Comptes rendus do l’Académie des Soiences, 13 juin 1896); ou notre Nouveau Traité des bicycles et bicy-

Yoici, pour qu’on puisse se rendre compte de cet effet, trois exemples numériques que nous empruntons à un intéressant article de M. Perrache (i).

Dans ces trois exemples on a :

P = 100 kilogrammes,

95 61 145 277 kilogr. '

Ces nombres sont suffisamment éloquents par eux-mêmes. On voit qu’à mesure que la distance 2a diminue, la pression Q augmente. Ainsi, la machine Z a une pression maximum dans les boîtes à billes de 19 o/oplus forte que la machine X. L’expérience a, d’ailleurs, confirmé la supériorité de la machine X.

Les effets désastreux de la réduction du pédalier n’ont pas tardé à se faire sentir ; mais la mode du pédalier étroit s’était établie si fermement que les constructeurs n’ont pas osé l’abandonner. Il leur a donc fallu chercher un détour pour vaincre la difficulté.

L’examen de la formule [1] montre que, pour réduire Q, il faut toutes choses égales d’ailleurs, diminuer les deux, rapports — et —.

Ceci ne pouvait se faire qu’en modifiant de fond en comble les positions relatives des manivelles, des boîtes à billes et de la roue dentée.

Les premiers essais de ce genre ont élé faits sur les bicyclettes « Racycles » qui adoptèrent, dès 1896, les roulements Miami.

La figure 98 donne l’aspect général d’un tel roulement. La boîte à billes G située du côté de la roue dentée est reportée dans la manivelle même. On a donc, dans ce cas :

c> a et 6 < a.

Ce rapport — est encore plus grand que 1, mais est beaucoup diminué. Quant au rapport —, il est devenu plus petit que 1. Cette disposition réalise donc un grand progrès au point de vue de la diminu-

(i)'Voii: Le Pédalier article signé <t L’homme de la montagne», dans le Cycliste du 30 avril 1898.

tion delà pression dans les roulements et du frottement; mais cela n’a malheureusement pas été sans une complication fâcheuse du montage et du réglage du roulement.

Presque toutes les solutions actuellement adoptées par les constructeurs, consistent à couper l’axe en deux.

Fig. 99. — Nouveau pédalier « Columbia j>.

Dans le pédalier « Columbia » (lîg. 99), les cônes de roulement font partie d’un tube T qui est en quelque sorte un axe creux. Ce tube

joue absolument le rôle de l’axe et" on règle tout le roulement sans monter les manivelles comme un roulement ordinaire, par les cuvettes. Les deux manivelles M et M' font corps avec les deux parties d’un axe coupé A,A'. On visse les deux bouts A et A' dans le tube ; mais, comme les deux pas de vis sont en sens inverses, lorsque les deux bouts se sont rejoints, on peut continuer à visser jusqu’à ce que le tranchant qui termine A se soit logé à fond dans la fente qui termine A'.

Le roulement « Lion » de la maison Peugeot, représenté figure 98, est exactement semblable au précédent.

Fig. 100 et 101. — Roulements dans les pédaliers <i Gladiator ».

Les figures 100 et 101 donnent, dans tous leurs détails, les roulements du pédalier adoptés par l’usine « Gladiator ». Celui de la figure 100 est le type du roulement Miami. L’axe est également coupé en deux et la séparation des deux parties s’obtient, très facilement, en dévissant l’écrou E. Mais ici, à l’encontre de ce qui se passe dans les deux roulements précédents, lorsqu’on retire la manivelle, on entraîne, du même coup, le cône C C et on met à nu les billes.

Le dispositif de la figure 101 est intermédiaire entre le roulement Miami et les anciens roulements. Dans cette combinaison, la boîte à billes est au centi’e de la roue dentée, c’est-à-dire que l’on a, avec les

nolaüons employées plus haut, a = b. Ici, l’axe n’est pas coupé et la' manivelle est clavelée comme dans les dispositifs ordinaires.

Citons, en passant, à propos de ces derniers roulements, un perfectionnement très utile.

Lorsqu’on démonte un ancien roulement, tel que celui de ’ la figure 92, toutes les billes tombent hors de la cuvette. Le montage et le démontage sont, par suite, assez délicats pour éviter que les billes ne s’éparpillent. Dans presque tous les nouveaux roulements, on a imaginé de maintenir les billes par une bande métallique flexible et légère, de telle sorte qu’on peut ouvrir impunément une boîte à billes sans craindre de voir les billes s’échapper. Cette bande protectrice B est visible dans la figure 100. Elle ferme, comme on le voit, la cuvette et, malgré cela, lorsque la boîte est réglée, les billes ne la touchent pas.

Une disposition analogue est employée dans les boîtes à billesdes roues.

Roulements des rcues.

Les quatre combinaisons citées plus haut ont été et sont employées dans les roulements des moyeux des roues.

La figure 102 est le type du dispositif (A) à deux contacts et réglage

par le cône. Le cône C est maintenu en place par l’écrou E qui sert, en même temps, à fixer l’axe A dans la fourche. Il y a là un inconvénient : c’est que, lorsqu’on démonte la roue, les boîtes à billes se dérèglent. On est donc obligé, chaque fois qu’on remonte la roue, après l'avoir sortie de la fourche, de procéder à un nouveau réglage, ce qui

est toujours minutieux. Certains constructeurs avaient bien imaginé de maintenir le cône par un premier contre-écrou, mais cela allongeait démesurément l’axe.

La même observation s’applique au dispositif (B) représenté par la figure 103. Dans ce roulement, la section du cône est une droite et

Fig. 103 et 104. — Roulements des moyeux des roues; dispositif (B).

celle de la cuvette se compose également de deux droites. La bille touche ainsi la cuvette en deux points. C’est, d’ailleurs, un roulement à recouvrement. Le cône est muni d'un petit rebord R qui vient recouvrir la partie saillante D du moyeu.

Fig. 105. — Moyeu à recouvrements « H. B. M. ».

La figure lOS montre l’aspect extérieur d’un moyeu à recouvrements d’un modèle un peu différent de ceux des ligures 103 et 104.

Le moyeu sphère « Dayton » (flg. 106), de même que le pédalier de cette maison, est à trois contacts, avec cette particularité que les deux contacts ont lieu sur le cône.

Enfin, voici (fig. 107) un moyeu muni de roulements du type (G), à deux contacts et réglage par la cuvette. Comme dans le pédalier, la cuvette G est vissée à fond, une fois pour toutes. Le réglage se fait au moyen de la cuvette D qui est maintenue par le contre-écrou E. Ce dispositif, a sur les pré- ^ di'sp^sUh (B),

cédents, l’avantage d’avoir un réglage indépendant du montage de la roue. On peut sortir impunément la roue de la fourche sans que les boîtes à billes se dérèglent. Beaucoup de constructeurs ont même pris l’habitude de serrer très solidement

Fig. 107. — Moyeu i Decauville » j dispositif (C).

l’écrou E, à l’étau, et conseillent au cycliste, qui, souvent, est peu habitué au maniement délicat des roulements, de ne jamais toucher aux boîtes à billes, dont le réglage reste suflisant pendant très longtemps, lorsque les cônes et les cuvettes sont bien centrés et bien trempés.

Les dispositifs généraux que nous venons de décrire ont reçu souvent des modifications intéressantes. En voici un exemple, entre mille. Dans les roulements allemands, « l’Aigle » de MM. Fichtel et Sachs (fig. 108), la roue dentée B repose sur une double boîte à bîlles à deux contacts chacune. Au point de vue théorique, ils ne présentent pas grand avantage, mais au point de vue pratique, la symétrie des

deux boîtes à billes doit donner une bonne répartition des efforts de traction de la chaîne sur la roue dentée B. Ce sont des roulements de fatigue.

En ce qui concerne la matière employée, les cônes et les cuvettes sont en acier trempé. Autrefois on faisait des cuvettes et des cônes

qui étaient tout entiers en acier trempé. Ceci, il est vrai, exigeait, après la trempe, une retouche à froid avec une molette de grès ; mais on avait ainsi des roulements inusables. Aujourd’hui, probablement pour éviter la retouche, les constructeurs ont pris la fâcheuse habitude de ne tremper les cônes et les cuvettes qu’à la surface. Aussi, les roulements actuels sont-ils bien moins durables que les anciens et ils ne résistent guère à un service un peu dur.

Roulement Philippe. — Pour terminer, nous dirons encore quelques mots d’un nouveau roulement, à coup sûr très intéressant au point de vue théorique.

Dans une boîte à billes ordinaire, les billes qui la remplissent se touchent les unes les autres. Ces billes, tournant toutes dans le même sens, leurs points en contact ont des vitesses opposées. Il en résulte qu’à chaque contact de deux billes il y a un léger frottement de glissement. A vrai dire, ce frottement est très faible, d’autant moindre que le roulement est mieux construit.

En effet, si le roulement était parfaitement construit et n’avai aucun jeu, chaque bille serait soumise, de la part du cône et de la cuvette, à des pressions normales, et la pression au contact de deux billes consécutives serait uniquement due au poids des billes situées

au-dessus du contact. Dans ces conditions, cette pression serait excessivement faible et le frottement dont nous venons de parler presque nul. En fait, à cause du léger jeu et des imperfections inévitables de construction, les pressions de la cuvette et du cône sur les billes ne sont pas exactement normales et produisent de légères poussées qui augmentent la pression au contact de deux billes. Cet accroissement, comme le montrerait aisément un examen plus approfondi, est cependant très minime et le frottement qui en résulte très faible.

M. Perrache, dans des expériences encore inédites qu’il a bien voulu nous communiquer, a pu observer ce qui se passe dans une boîte à billes. Il a constaté que les billes, soumises à la pression, ne se touchent pas.

Pratiquement, il n’y a donc pas un très grand intérêt à faire disparaître ces petits frottements supplémentaires et on peut dire que le roulement Philippe, conçu dans le but de les supprimer, a surtout, à ce point de vue, un intérêt théorique.

Dans ce roulement (fig. 109), les billes successives A, B, C, D,... sont

Fig. 109. — Roulement s Philippe ».

séparées les unes des autres par des billes intermédiaires plus petites qui tournent en sens inverse. On conçoit qu’ainsi il puisse n’y avoir, dans toute la boîte, que des roulements sans glissement.

Ce dispositif présente encore un autre avantage qui, au point de vue pratique, est certainement plus appréciable. Comme nous l’avons déjà dit plus haul, dans un roulement ordinaire il n’y a jamais qu’une ou deux billes qui supportent la pression de Taxe et de la cuvette (ce fait est d'ailleurs confirmé par les observations de M. Perrache citées

plus haut). Le frottement, à chaque instant, n’a donc lieu qu’en un ou deux points. Dans le roulement Philippe, d’après la disposition même des billes, qui se chassent les unes les autres, la pression se répartit à peu près uniformément sur tous les points de contact aYec la cuvette et le cône. Il en résulte que le roulement doit s’user plus lentement et plus uniformément.

Il reste à savoir si le gain très faible Ae rendement qui peut résulter de l’emploi de ce roulement, et sa plus grande durée, justifient, du moins en ce qui concerne la vélocipédie, la complication de construction qui en résulte. Il ne faut pas oublier, à ce propos, que tous les roulements à billes réunis dans une bicyclette, bien construits suivant le mode ordinaire, n’absorbent pas 1 V2 Vo du travail total. Enadmettant même, ce qui est peu probable, que le frottement soit diminué de 30 ®/o, l’adoption de ce roulement augmenterait à peine le rendement de V2 °Jo-