Pourquoi seulement des roulements à billes sur les vélos?

En général, les roulements à billes sont applicables à des vitesses plus élevées en raison de la plus petite zone de contact et de la force de friction plus petite, mais les roulements à rouleaux peuvent supporter des charges plus importantes car la charge appliquée à la zone de contact produit des contraintes de contact plus petites.
- Principes de conception en génie mécanique, Liubomir Dimitrov

Dans les applications de vélo, il n'y a ni vitesses élevées ni charges élevées (par rapport aux voitures ou aux machines industrielles). Cependant, je suppose que les «contraintes de contact plus petites» entraîneraient une durée de vie considérablement plus longue du roulement, même si de l'eau et des contaminants pénètrent dans le roulement. Et toujours la seule fois où j'ai entendu parler de roulements à rouleaux (broches) de vélo, c'est dans le Lefty .

Pourquoi les roulements à billes sont-ils utilisés exclusivement dans les vélos, par exemple dans le casque où une friction mineure ne serait pas un problème?

Je pense que plusieurs de vos hypothèses sont incorrectes:

1. pas de vitesse élevée: les dynamos de jante tournent assez vite, jusqu'à 10 000 tr / min, et cela nécessite des efforts de la part des concepteurs. Typiquement, la roue motrice de ceux-ci aura un rayon d'environ 1 cm, ou une circonférence de 3 1/3 cm et 30 tours par mètre. À 10 m / s (30 km / h), cela signifie 300 tr / min ou 18 000 tr / min. C'est pourquoi ils émettent un tel gémissement aigu lorsqu'ils sont utilisés.
2. pas de couple élevé: un cycliste de 100 kg se tenant sur une manivelle de 165 mm exerce environ 1 kN à 0,165 m, ou 165 Nm. C'est un couple comparable à une voiture de milieu de gamme. J'ai cassé à plusieurs reprises un boulon à haute résistance de 8 mm dans le système d'entraînement de mon vélo de charge à quatre roues, et le remplacer par des roues libres industrielles signifiait acheter deux des unités les mieux notées que je pouvais trouver (pièces de bande transporteuse allemandes évaluées à 250 Nm)
3. Pas de charges élevées: un cycliste de tourisme avec 50 kg sur le porte-bagages arrière, plus la moitié de son poids corporel de 100 kg, place une charge de 100 kg ou 1 kN sur un essieu arrière creux de 10 mm de diamètre. Ces essieux et les pattes qu'ils supportent doivent être en acier dur pour supporter la charge, alors que les pièces porteuses d'une voiture ou d'un camion sont généralement en acier beaucoup plus souple.
4. Seuls les roulements à billes sont utilisés: les supports de pédalier scellés modernes utilisent généralement des roulements à rouleaux ou à aiguilles, comme le font de nombreux casques. Les moyeux à engrenages internes utilisent des roulements à aiguilles depuis de nombreuses années. Sheldon Brown décrit les roulements à rouleaux dans son glossaire , par exemple.

La réponse est que divers types de roulements ont été utilisés dans les vélos et continueront probablement de l'être. Encore une fois, Sheldon discute des roulements à aiguilles dans les engrenages de moyeu Shimano d'il y a quelques années et ils sont toujours mentionnés dans le marketing .

Un problème qui n'est pas propre aux vélos mais qui les concerne particulièrement, est que les roulements plus précis sont plus vulnérables aux grains et aux dommages. Les roulements à aiguilles doivent donc être soigneusement protégés de la poussière, du sable et des forces en dehors de leur plage de conception. Malheureusement, faire cela à l'intérieur d'une unité de suspension est difficile, et la dernière fois que j'ai regardé Cannondale n'avait pas résolu le problème (mon HeadShock est impossible à maintenir après seulement environ 10 mm, j'ai vu plusieurs chocs gauches échouer pendant une course à cause de la pluie légère et des grains fins provoquant les faire sombrer très vite dans l’inutilité)

Mais à l'intérieur d'un hub ou d'un casque, par exemple, ils peuvent être incroyables. J'ai parlé à des gens qui ont monté 20 mm sur une Alfine 8, par exemple, sans aucun problème.

Tout d'abord, je ne suis pas d'accord avec le commentaire sur la vitesse élevée. Les roulements à vitesse la plus élevée sont lisses: les roulements de vilebrequin dans un moteur de voiture pleine grandeur sont lisses, tandis que dans un modèle radiocommandé, des roulements à billes sont utilisés. Lorsque la vitesse (tr / min x diamètre) est élevée, l'effet de coin d'huile a tendance à centrer l'arbre (lubrification hydrodynamique). Cela peut être encore amélioré si l'huile est pompée.

Les roulements à rouleaux droits sont excellents pour supporter des charges radiales, mais inutiles pour supporter des charges axiales. Là où il n'y a pas de charge axiale (par exemple un générateur entraîné par un moteur, soit directement par l'intermédiaire d'une cannelure coulissante ou par entraînement par courroie), ils constituent une bonne solution. Dans la plupart des applications de vélo, des forces axiales sont présentes, par conséquent, un total de 3 roulements doit être pris en compte: rouleau, plus poussée axiale dans chacune des deux directions. (dans certaines applications, vous trouverez peut-être un palier lisse pour une petite poussée axiale, mais je ne peux pas penser à un sur un vélo.)

Les roulements à billes sont beaucoup plus simples à réaliser et deux roulements à billes forment un excellent joint tout usage. Sur une roue de vélo, les deux roulements sont aux extrémités de l'essieu, aussi éloignés que possible, ce qui est exactement là où nous en avons besoin pour résister au couple non axial appliqué à la roue. À cet égard, la partie centrale d'un roulement à rouleaux ne ferait rien, vous pourriez donc vouloir deux roulements à rouleaux, un à chaque extrémité, plus des roulements supplémentaires pour la poussée axiale (se compliquer n'est-ce pas?) La meilleure solution est d'avoir un roulement à billes unique à chaque extrémité de l'essieu, avec une forme conique , ce qui lui permet de résister à la fois aux forces radiales et axiales. Les roulements à rouleaux coniques existent, mais ils ont besoin d'une cage pour aider à guider les rouleaux, ce qui évite d'avoir besoin de quatre roulements sur une roue, mais ajoute une autre complexité.

Enfin, les casques ont certainement besoin d'une sorte de roulement antifriction. Il y a un énorme couple non axial: votre poids essaie de pousser les fourches vers le haut et vers l'avant, sauf lorsque vous appliquez les freins, quand ils seront repoussés. Pour pouvoir diriger correctement, vous avez besoin d'un mouvement fluide. Quiconque a essayé de faire du vélo avec un casque endommagé saura que c'est possible, mais inconfortable et dangereux.

Les réponses actuelles donnent de nombreuses raisons techniques pour l'utilisation de roulements à billes tout en notant que d'autres types de roulements sont parfois utilisés sur le vélo.

Cependant, ils manquent le facteur le plus important. Les roulements à billes sont bon marché!

Vous verrez des roulements à cartouche scellés dans de nombreux supports inférieurs, qui utilisent des roulements à rouleaux. Également courant dans les casques d'écoute. Il y a environ 10 ans, les roulements à billes étaient plus larges. Mais toujours commun dans les pédales et les moyeux.

Les roulements à rouleaux et les roulements à billes sont efficaces. Si vous prenez des paliers lisses pour les roues, par exemple des bagues en PTFE, le vélo fonctionnera, mais devient un peu lourd à pédaler, pas si amusant ... Les roulements en plastique rendent également le vélo moins rigide, ce qui peut être inconfortable, il peut facilement entrer dans l'auto-résonance et commencer à vaciller si la fréquence d'oeuf est trop basse, mais cette partie dépend beaucoup de la conception détaillée. Vous pouvez utiliser des roulements en métal bronze, mais ils ont besoin d'une certaine lubrification.

Pour le casque, des roulements à billes sont également normalement utilisés. Je viens de remplacer les roulements à billes de confiance pour le casque de mon ancien vélo par des roulements en delrin (plastique acétal) faits maison que je me suis fait sur le tour, car l'ancien était rouillé et j'ai trouvé un nouveau un peu cher ... Résultat: Oui, les paliers lisses delrin fonctionnent bien pour le casque, il sera plus lourd de le tourner si vous le souhaitez de manière rigide comme avec les roulements à billes, mais pas de problème ... Il peut être un peu glissant avec des paliers lisses dans la tête -ensemble, c'est probablement la principale raison pour laquelle les roulements à billes sont généralement utilisés - il est rigide et il devient lisse - et vous vous sentirez en contrôle.