Les roulements céramique, suite || Ceramic bearings, suite.

Publié le 24 octobre 2005 par Adrien.

Etant resté sur ma faim après avoir publié cet article sur les roulements céramiques, je cherche depuis longtemps des documents où le gain apporté par de tels roulements sur des moyeux de vélo est mesuré et comparé à des roulements classiques. Ainsi, avec l'aide de Ceramic Speed une société spécialisée dans les roulements céramique de haute qualité, je réussis enfin à me procurer la perle rare. J'ai pu trouver sur le net ou en bibliothèque des dizaines de documents traitant de ce sujet mais il n'était à chaque fois question que de "la différence par rapport à des roulements classique est considérable" ou "on gagne facilement 3km/h par rapport aux roulements classiques" mais jamais des preuves étaient apportées afin de laisser les sensations de côté. Une série de test est donc efféctuée pour quantifier un gain éventuel.
En premier, un test est éffectué afin de vérifier la validité des formules employées pour quantifier la résistance au roulement et surtout pour évaluer le gain ou la perte apportée par la céramique au niveau des roulements. Les formules seront ensuite réutilisées pour d'autres tests.
Je mettrai les formules théoriques des résistances en bas de page.

Protocole du test: un coureur enfourche son vélo sur une route descendante à partir d'un point défini avec des roues X dotées de roulements classiques. Il descend cette route dix fois dans une certaine position et on mesure la vitesse et la distance parcourue après 55 secondes. Une moyenne est faîte sur ces 10 descentes. Ce même coureur réalise à nouveau 10 descentes dans des conditions similaires mais cette fois si avec des roues X dotées de roulements céramiques. On calcule à nouveau la moyenne des distances et vitesses atteintes après 55 secondes.

Le coureur et son vélo équipé des roulements en céramique arrive en bas après 55 secondes 3,8% plus vite qu'avec les roulements normaux.

Afin de comparer la théorie de la pratique, des calculs exprimant la vitesse en fonction du temps furent réalisés en prenant en compte les valeurs théoriques correspondant au coureur ci dessus:

Poids du coureur plus le vélo: 81Kg

Coefficient de résistance au vent: 0,39

Pente moyenne de la route: 3,25° en descente bien entendu! ;)

Accélération gravitationelle: 9,82 m/s²

Vous pouvez remarquez au final, après 55 secondes que la courbe bleue représentant le vélo équipé des roues à roulements céramique atteint 47,3 Km/h tandis que la rouge synonyme de roulements classique n'atteint que 45,4km/h. L'augmentation de vitesse est donc de 3,8%. La théorie est la pratique sont assez proches puisqu'on obtient la même augmentation de vitesse aux incertitudes de mesures près.
Les cages céramiques produisent une force résistive équivalente à 2,6N tandis que celles en acier absorbent 5,2N.
Les roulements céramique ont donc un couple deux fois moins résistants que les roulements acier.

Ici, l'augmentation de distance causée par la céramique par rapport à l'acier est de 4,3% environ au bout de 55 seconde de descente sur le même vélo et le même coureur. Ces 4,3% représentent tout de même 22m. 22 mètres gagnés sur une descente de 3,25° de moyenne (2,925%) en changement uniquement les roulements est énorme!

La pratique a donc montré que la théorie était assez proche de la réalité et qu'il ést donc possible de s'y fier pour évaluer les effets de divers résistances s'appliquant sur un vélo et son coureur en mouvement.

Ce graphique résume les forces nécessaires en fonction de la vitesse à laquelle le coureur évolue. Ainsi, la résistance au roulement est toujours la même quelque soit la vitesse tandis que la résistance aérodynamique est toujours plus élevée au fur et à mesure que la vitesse augmente. Ainsi, à 12km/h environ, la résistance aérodynamique est équivalente à la résistance au roulement tandis qu'à vitesse élevée la résistance au roulement est presque négligeable par rapport à l'aérodynamique. La résistance causée par la transmission est aussi en constante augmentation mais reste tout de même assez faible. Elle est la seule composante théorique non vérifiée et est évaluée à 95%. Elle reste quasiment négligeable à n'importe quelle vitesse.

Voici le graphique résumant la puissance nécessaire pour telle ou telle partie du vélo et du coureur en fonction de la vitesse. La puissance absorbée par la résistance au roulement est très faible comparée à l'aéro mais n'est plus négligeable en dessous de 30 km/h par exemple puisqu'elle représente 25% de la puissance totale absorbée.

Formules:

F roulement = Cr * m * g
avec Cr= coefficient de résistance au roulement, m= masse du vélo + coureur; g= constante d'attraction gravitationelle

F pente = s* m * g
avec s = gradient de pente

F accélération = a * m
avec a = acceleration en m/s²

F vent =

* Cw * A * V² /2
avec

= masse volumique de l'air en kg/m3, Cw = coefficient de résistance au vent, A = surface frontale en m², V = vitesse du vent en m/s

F total = ( F roulement + F pente + F accélération + F vent) / h
avec h = rendement de transmission

P = F total * v
avec P = puissance nécessaire pour rouler à v une vitesse quelconque (m/s).

En conclusion, on peut légitimement affirmer que les roulements céramiques font parti d'une des solutions ultimes pour gagner les derniers kilomètres heures en course, en contre la montre ou simplement pour se faire plaisir. Le prix de ces joujoux est bien plus éleve que des roulements classique mais le prix est tout de même abordable.

Ceramic Speed fabrique les roulements céramique pour l'équipe CSC, voici les roulements produits; le premier est un roulement céramique complet, le second est hybride (billes céramique et portées acier):

Exemple d'application des billes céramique sur des Lightweight:

Voici l'état de deux billes ayant subi un test de compression identique; la première est en céramique, la seconde en acier:

Laurent Jalabert a utilisé les roulements céramique produits par Ceramic Speed en 2001 quand il apporta le maillot à pois à Paris. Ces roulements étaient montés sur ses Lightweight mais aussi sur ses roues Shimano carbone.

I wasn't really satisfied after having published this article about ceramics bearings, I looked since a long time for documents where the gain brought by suchs bearings on bikes hubs was mesured and compared to normals bearings. This way, with the help of Ceramic Speed, a company specialized in high quality ceramic bearings, I finally managed to find a precious document. I found on internet or in library ten or so documents dealing with this subject but it was always only about feelings like "the difference with classics bearings is huge" or "it saves easily 3km/h on normals bearings" but there were never evidences to prove it. A testing serie have been done to quantify a possible gain.
In first, a test is done to verify the validity of formulas used to quantify the rolling resistance ans especially to evaluate the gain or lose brought byt the ceramic in the bearings. The formulas will be reused in others tests.
I'll put the theoricals resistances formulas above.

Test protocol: a cyclist rides his bike on a downhill road from a point with X wheels equipped of normals bearings. He goes down this road in a position then we mesure the speed and the distance covered after 55 seconds. The average value is done from these tens descents. This same rider goes down again 10 times in similars conditions but now with the X wheels equipped with ceramic bearings. An average value is done again for the speed and the distance covered after 55 seconds.

The cyclist and his bike equipped with ceramics bearings arrive after 55 seconds 3,8% faster than with classics bearings.

In order to compare the theory and the reality, calculs were done about the speed as a function of the time with these theoricals values corresponding to the cyclist just over:

Weight of the cyclist and his bike: 81kg

Coefficient of wind resistance: 0,39

Average slope gradient: 3,25°

Acceleration due to gravity: 9,82m/s²

You can notice that at the end, after 55 seconds, the blue curb corresponding to the bike equipped with ceramics bearings reaches 47,3km/h while the red one synonym of classic bearings reaches only 45,4km/h. The speed rise is 3,8%. Theory and reality are pretty close since we get the same speed increase within the mesuring uncertainty.
The ceramic bearings cause a 2,6N resistive force while classics ones cause 5,2N.
Ceramic bearings produce two times less resistive torque than normals bearings.

Here the distance increase caused by ceramic bearings compared to steel is about 4,3% after descending 55 seconds on the same bike and the same rider. The 4,3% represents 22 meters. 22 additionnals meters on a 3,25° descending road in 55 seconds only by changing the bearings is huge!

The reality shows that the theory is close to it and it's possible to trust it to evaluate the consequences of many resistances preventing the cyclist motions.

This graph summarizes the forces that need the rider to advance according to the speed. This way, the rolling resistance stays constant whatever the speed while the aerodynamic resistance always goes up with the speed. At 12km/h for example, rolling and aerodynamic resistances are the same while at high speed, rolling resistance is almost insignificant compared to aerodynamic resistance. The force from drivetrain efficiency is increasing too with the speed but remains low compared to the others forces. It's the only theorical value non verified, it's evaluated at 95%.

Here is the graph that summarizes the power needed for the differents parts of the bike according to the speed. the power absorbed by the rolling resistance is low compared to the aero but isn't insignificant under 30km/h for example since it represents 25% of the total power.

Formulas:

F rolling = Cr * m * g
with Cr= coefficient of rolling resistance, m= mass of the bike + the rider; g= acceleration due to gravity

F solpe = s* m * g
with s = slope gradient

F acceleration = a * m
witha = acceleration in m/s²

F wind =

* Cw * A * V² /2
with

= density of air in kg/m3, Cw = coefficient of wind resistance, A = frontal area in m², V = wind speed in m/s

F total = ( F roll + F slope + F acceleration + F wind ) / h
with h = drivetrain efficiency

P = F total * v
with P = power needed to ride whatever the speed (m/s).

As conclusion, we can say that the ceramic bearings are an ultimate solution to save the lasts kilometers per hour, pretty interesting for races, time trials or simply to enjoy more the bike. The price of these jowels is much more expensive than classics bearings but remains reasonable.

Ceramic Speed makes ceramic bearings for CSC, here are its products; the first bearing is a full ceramic one while the second one is an hybrid one:

Example of ceramic balls application:

Two balls are evenly compressive stressed, the first one is a ceramic one, the second one is a steel one; see the difference:

Laurent Jalabert used ceramic bearings and balls made by Ceramic Speed in his Lightweight and his Shimano carbon wheels in 2001 when he won the best climber red dot jersey.