LA CHENILLE MECANIQUE
LA CHENILLE MECANIQUE
Proposé par Ali GADARI
On désigne par le terme de chenille un dispositif mécanique articulé permettant d'assurer la transmission de la masse d'un véhicule au sol en la répartissant sur une surface supérieure à la seule surface de contact des roues de ce véhicule.
La chenille est tendue sur une série de roues alignées mais suspendues indépendamment, l'entraînement est réalisé par une roue spéciale, un engrenage nommé « barbotin ». Un ensemble de roues sans contact avec le sol soutient le haut de la chenille.
Les véhicules à chenille sont conçus pour le tout-terrain, y compris les terrains très meubles. Pour la direction, ces véhicules peuvent comporter un train avant directionnel (on le désigne alors par autochenille ou halftrack) ou se servir d'un différentiel de vitesse entre la chenille de droite et la chenille de gauche : le véhicule tournera du côté de la chenille la moins rapide. De plus, ce dernier système présente l'avantage de permettre des manœuvres de demi-tour sur place.
Terminologie
Chenille
Une chenille, au sens de la technologie de la locomotion terrestre, est une bande continue en boucle fermée (en forme d'anneau), en contact avec le sol, qui comporte à l'intérieur des reliefs (ou bossages) guides po par le barbotin) et, à l’extérieur, des crampons. Le principe de la chenille peut se figurer comme un moyen de présenter mécaniquement une surface préparée devant des roues avançant sur un terrain quelconque.
- Quelques modèles de chenille
Crampons et patins de chenille
Une chenille ne doit pas patiner, c'est-à-dire glisser sans avancer par manque d'adhérence. Aussi est-elle généralement munie de crampons ou de patins, qui sont des formes en relief situées sur la face extérieure de la bande. Un patin est simplement un crampon peu saillant, qui a l'avantage d'être moins agressif pour le sol. C'est, par exemple un parallélépipède en caoutchouc. Des crampons accrocheurs et agressifs accélèrent la dégradation des sols : la forme et la hauteur des crampons sont donc étudiées comme compromis entre l'adhérence et la dégradation.
- Crampons de chenille
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- Patins de chenille
Train chenillé
C'est tout le dispositif mécanique qui maintient en place, guide et entraîne la chenille associée. (Pour les besoins de la description, on peut le distinguer plus ou moins nettement de la coque (châssis, caisse) du véhicule. Il peut être subdivisé en un ensemble de roues alignées qui sont assujetties par les organes de suspension).
- Exemples de trains chenillés
Barbotin - poulie de renvoi - galets
- Le barbotin moteur : c'est la roue dentée, à une ou deux rangées de dents, qui entraine la chenille. Il est situé soit à l'avant, soit à l'arrière, soit, pour les trains triangulaires, au sommet supérieur.
- la poulie de renvoi ou roue de tension (roue folle, libre en rotation sur son axe) qui parfois remplit aussi une fonction de galet de roulement (parfois au nombre de deux : dans le caterpillar D6, la chenille épouse la forme d'un triangle et le barbotin est situé au sommet de ce triangle.)
- les galets porteurs ou de roulement, parfois groupés deux par deux sur un bogie (ou par plus de deux si les bogies sont placés sur des balanciers). Pour égaliser la pression au sol, les galets porteurs peuvent être entrelacés (imbriqués, entrecroisés) ou simplement alignés en plus grand nombre (véhicules lourds)1. Les galets porteurs sont avantageusement cerclés par un bandage en caoutchouc sur les véhicules rapides (ou même être des roues standards d'automobiles !).
- Les galets supérieurs de soutien et de guidage : Ces galets, parfois appelés rouleaux, limitent le fléchissement de la partie supérieure de la chenille par effet caténaire. L'absence de galets de soutien est caractéristique des trains chenillés de type Christie : chars soviétiques BT, T-34...
- Un mécanisme coulissant permettant le réglage de la tension de la chenille.
- Exemples de dispositifs permettent le réglage de la tension de la chenille
- Galets porteurs entrelacés
- Exemples de galets entrelacés sur autochenilles
Suspension
De nombreux systèmes existant ou ayant existé, ont recours à des organes tels que : bogie, balancier, bras oscillant, suspension Christie, ressort à lames, ressort hélicoïdal (dit à boudin), blocs élastiques de caoutchouc, barre de torsion, amortisseur, suspension hydropneumatique. Une solution sommaire et économique consiste à utiliser des bogies de roues ordinaires à pneumatiques (avec le risque de crevaisons). La suspension doit évidemment être plus ferme pour les galets extrêmes et plus molle pour les galets centraux.
- Exemples de suspensions utilisant des ressorts à lames
- Exemples de suspensions utilisant des ressorts à boudin
Véhicules à chenilles
Transmission
Dans un véhicule à chenilles, la transmission assure les fonctions de traction et de direction (sauf dans le cas particulier des motoneiges). Puisque la direction est obtenue en entrainant indépendamment chaque chenille à une vitesse différente, la conception d'une transmission s'inspire largement des autres mécanismes connus et utilisés par ailleurs, voir : embrayage (un de chaque côté), différentiel, boite de vitesses, variateur de vitesse mécanique, transmission hydrostatique ou électrique...
Classement par nombre de chenilles
Motoneiges comportant 1 chenille
Sur les motoneiges, la traction est fournie par la chenille unique et la direction s'obtient par le pivotement des 2 skis avants.
Véhicules à 2 chenilles
- Autochenilles avec 2 roues à l'avant (véhicule semi-chenillé par opposition aux véhicules à « chenilles intégrales ») comme le Halftrack M3 et les Citroën Kégresse-Hinstin, à roues avant motrices, ou les SdKfz 250 et SdKfz 251 allemands, à roues avant non-motrices.
- L'appellation « chenillard » peut caractériser un bulldozer, un trax, ou un tracteur à 2 chenilles (sans précision supplémentaire, le « tracteur agricole » est souvent à roues).
- Dans les usages civils une « chenillette » désigne plutôt une autoneige telle le que le Castor Hotchkiss HB404 ou un véhicule de transport tout terrain plus polyvalent comme le M29 Weasel5 de fabrication Studebaker ou le Muskeg de Bombardier.
- Les chenillettes de combat (Renault UE, Lorraine 37L, chenillette Carden-Loyd, char Bren Carrier) ont aujourd'hui disparu des théâtres d'opérations.
- Il n'en est pas de même des très nombreux chars de combat. (Il n'y a pas de véritable consensus, mais on distingue habituellement les chars de combat à chenilles des blindés à roues d'armement comparable, comme le blindé VCBI à 8 roues, le Centauro B1, etc.)
- Rappelons les dameuses, spécifiquement utilisées pour la préparation des pistes de ski.
Véhicules à 4 chenilles
- À un seul châssis, type « Tucker snowcat » ou « Tucker Terra-track », permettant de franchir les dos d'ânes sans basculement. La direction s'effectue par 2 chevilles ouvrières et la transmission comporte 2 différentiels.
- Véhicules doubles (en deux parties, articulées et chenillées). Exemples : Bandvagn 206 et Véhicule à haute mobilité BVS10 de la société Hägglunds AB.
- Chenilles, éventuellement amovibles, remplaçant les roues6 ce qui apporte d'ailleurs la possibilité de tirer avantages d'une direction à 2 chenilles directrices.
- Véhicule comportant une (ou même deux) articulation transverse active entre deux paires de chenilles, ce qui améliore les possibilités de franchissement. Exemples des robots EROS et EOLE du groupe Intra-AREVA-CEA.
Plateformes de transport à 8 ou 12 chenilles
poids exceptionnels, engins de transport crawler des lanceurs spatiaux ou excavatrices à godets typePour les déplacements Bagger 288, Bagger 293.
- Véhicules à 4 chenilles
- Plateforme de transport lourd, à 8 chenilles Pidwell à 2 barbotins, regroupées en 4 paires (transporteur crawler de la NASA)
Chenille
C'est une bande déformable en boucle sans fin, à la fois porteuse et motrice
Description
Pour un modèle de chenille donné, les principales dimensions nominales sont :
- La largeur (différentes largeurs sont souvent admissibles pour le même véhicule)
- Le pas diamétral (conforme au pas du barbotin considéré comme étant un pignon d'entraînement)
- La longueur (mesurée déroulée)
- La hauteur des crampons (à choisir selon les besoins).
Cependant une chenille est plus qu'un simple anneau car elle doit être conçue pour :
- Par sa face interne en contact avec les galets :
- offrir un chemin de roulement aux galets
- pouvoir être entrainée par le barbotin à la façon d'une crémaillère
- assurer un positionnement latéral invariable au moyen des saillies ou bossages de guidage On rencontre principalement le guidage par les flancs, associé à des galets en forme de roues pleines, et le guidage par la gorge associé à des galets en forme de réa (de poulie)
- en combinaison avec l'action des galets, ne pas trop vriller (d'où l'intérêt des dispositions à galets alternés).
- Par sa face externe en contact avec le sol :
- empêcher le véhicule de patiner, d'où la présence de crampons ou de patins, éventuellement démontables et remplaçables.
La conception d'une chenille est donc indissociable du train chenillé assorti.
- Divers agencements pour imbriquer une chenille sur son barbotin
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Caractéristiques de la locomotion à chenille
La qualité dominante permise par le principe de la chenille est une pression moyenne7 sur le sol faible, puisque la surface de contact est grande. À encombrement donné, les possibilités de franchissement d'obstacles sont supérieures à celles de la roue, pour des raisons géométriques évidentes.
Avantages
- Risques d'enlisement sur les sols meubles (neige ou boue) très diminués (à largeur égale).
- Adhérence ordinairement meilleure, quoique dépendant beaucoup des caractéristiques des crampons.
- Possibilités de franchissement d'obstacles supérieures (particulièrement pour les tranchées à bord francs)
Inconvénients
- Résistance à l'avancement (donc consommation au kilomètre) plus grande.
- Usure rapide, sauf sur la neige.
- Vitesses plus faibles.
- Intensité des bruits élevée. Cependant moindre avec les chenilles souples qu'avec les chenilles articulées métalliques.
- Dégradations des sols plus importantes car, par principe, les virages sont effectués par ripage des chenilles (ce qui peut être la cause de désagréments lorsqu'un robot domestique à 2 chenilles, même relativement léger, tourne sur un tapis).
- Ne peut pas tourner directement.
Comparaison entre la roue et la chenille
Pour le concepteur, le choix entre la roue et la chenille n'a pas de réponse évidente, même compte tenu des conditions d'utilisation prévues et les discussions techniques à ce sujet sont toujours à l'ordre du jour. La chenille à l'avantage pour les véhicules lourds (le système chenille est plus léger que le système roues, et donc permet un véhicule plus léger pour des caractéristiques similaires (protection, puissance de feu, capacité d'emport) ou un véhicule plus performant pour un poids égal). La chenille a également l'avantage en tout terrain (meilleure répartition de la masse, meilleure capacité de franchissement, meilleure capacité de virage). Le système roues, plus lourd, a l'avantage en vitesse, en polyvalence (capacités tout-terrain honorables et meilleures capacités sur route), s'use moins vite et use moins vite les routes. Les systèmes de roues modernes utilisés sur les véhicules militaires suppriment le problème de la crevaison.
Remarquons que les astromobiles comme Curiosity, véhicules relativement légers et lents (0,1 km/h pour Curiosity Mars Science Laboratory et 12 km/h pour le Rover lunaire d'Apollo 17), sont équipées de roues métalliques spéciales sans pneumatique.
Domaines d'utilisation
En pratique, la locomotion par chenilles est donc principalement utilisée pour les activités suivantes :
- Transports sur la neige (motoneige, autoneige)
- Bâtiment et travaux publics, Terrassement (Bulldozer, Pelle mécanique hydraulique)
- Agriculture (tracteur agricole à chenilles, chenillard)
- Opérations militaires (char de combat).
Mentionnons aussi des usages moins fréquents :
- Robotique mobile et d'intervention comme, par exemple, le déminage
- Déplacement de charges extrêmement lourdes (Engin de transport crawler, Bagger 293).
Perspectives futures
Pour la locomotion terrestre hors des routes, aucune amélioration spectaculaire basée uniquement sur le principe de la chenille ne semble prévisible tout en gardant un caractère rustique. Pour franchir des obstacles particuliers, des architectures telles que des chenilles à l'extrémité de bras articulés mobiles resteraient concevables sans complications excessives. Par ailleurs, on peut raisonnablement prévoir que la locomotion à pattes procurera des possibilités de franchissement supérieures (cf le robot BigDog), mais sans apporter de progrès sur la consommation et la vitesse.
Les chenilles en bande souple
Chenille constituée de caoutchouc ou d'élastomère, armé de fils d’acier et maintenant aussi mixé avec des charges renforcantes.
- Moins robuste à l'égard des aspérités des terrains, sa faible résistance à l'attrition (coupures, déchirures, arrachements) ne permet pas de l’utiliser partout (penser par exemple, à la différence entre un tracteur agricole à chenilles souples, prévu pour les champs labourés, et un bulldozer de travaux publics conçu pour évoluer dans des chantiers caillouteux).
- Beaucoup plus silencieuse.
- Permet de rouler plus vite que la chenille Holt. Cependant le rendement énergétique semble peu différent. Les chenilles souples chauffent à grande vitesse, d'autant plus que la chaleur s'évacue mal.
En raison des progrès dans les technologies des matériaux composites déformables, la tendance actuelle est de la préférer à la chenille articulée.
Chenilles constituées de bandes plates agrafées
- Utilisation d'agrafes spécifiques, configurées pour constituer des charnières, ce qui permet de réaliser des boucles à partir de bandes plates standards, selon une technologie proche de celle des bandes transporteuses.
- Les autres pièces constitutives (crampons, bossages de guidage, etc.) sont ensuite fixées, parfois simplement par boulonnage.
- Avantages : simplicité, économie, facilité de réparations et de maintenance.
- Se rencontre surtout sur les véhicules de transport sur la neige.
Chenilles moulées d'une seule pièce
- Elles ont des points communs avec une courroie de transmission plate crantée.
- Chaque taille de chenille est fabriquée dans son propre moule et il est ainsi possible d'obtenir simultanément tous les crampons en relief directement par moulage.
- La chenille est armée de fils ou câbles d'acier qui sont de préférence eux-mêmes en forme d'anneaux.
- De plus en plus fréquemment adoptées en agriculture dans les champs détrempés.
- Chenille souple en une seule pièce moulée
Les chenilles articulées
On peut les considérer comme étant une sorte de chaîne, c'est-à-dire un assemblage de maillons articulés les uns par rapport aux autres. Comme dans le cas dne chaîne de transmission à rouleaux ou d'une chaîne de vélo, tous les axes d'articulation13 restent parallèles entre eux. (Nombres1habituels de maillons par chenille : de moins de 32 (Renault FT) à plus de 100).
Sur un maillon de chenille, on peut distinguer :
- du côté interne, les bossages ou saillies de guidage.
- la tuile dont la largeur est celle de la chenille.
- le crampon ou patin, qui peut former une pièce monobloc avec le maillon, ou au contraire y être fixé, par exemple par boulonnage.
- les divers alésages correspondants aux 2 articulations (cf. axe, alésage, douille, coussinet autolubrifiant).
Remarques diverses :
- Les problèmes de l'étanchéité et de la lubrification des axes des chenilles articulées ne sont pas parfaitement résolus.
- Les crampons métalliques conviennent dans les terrains boueux ou caillouteux.
- La chenille mixte, patins caoutchouc montés sur chenille métal, est plus silencieuse, plus adaptée à une évolution sur bitume et permet des vitesses supérieures avec une meilleure adhérence.
- En théorie, il est plus facile et rapide de changer des patins caoutchouc qu'une chenille tout métal.
La chenille de type Holte, formant un chemin de roulement (ou une sorte de rail repliable), qui serait posé perpendiculairement sur des plaques plus larges appelées « tuiles », en contact avec le sol (en toute rigueur, sur un sol dur, ce sont les crampons ou les patins portés par les tuiles, qui sont en contact direct).
La chenille Holt est généralement associée à une suspension rigide, ou du moins à faible amplitude de débattement. Les galets porteurs sont alors solidaires d'une poutre et n’ont pas de déplacements individuels.
Ce type de chenille équipe les véhicules lents et robustes (engins de travaux publics, chargeuses, bulldozers, etc.) ou des bases de grues déplaçables.
- Chenille Holt typique de véhicule lourd et déplacement lent
La chenille de type Carden-Loyd ou Pidwell
- Chenille à chaîne large. Les faces intérieures des maillons, parfois garnies d'une épaisseur de caoutchouc, constituent un chemin sur lequel les galets roulent directement.
- D'un point de vue géométrique, les 2 axes d'articulation d'un maillon sont situés dans le plan médian du maillon (qui, pour ainsi dire, peut être considéré comme étant une tuile possédant des alésages d'articulation).
- Par rapport à la chenille Holt, la chenille Carden-Loyd ou Pidwell18 est peu épaisse, plus légère, et permet des vitesses plus élevées.
- Elle est déformable vers l'intérieur, autrement dit elle est plus souple (si la suspension permet aux galets porteurs d'avoir une mobilité suffisante dans le plan vertical et dans ce cas la chenille se moule sur les irrégularité du sol).
- Elle est utilisée sur les véhicules lourds et rapides, typiquement les chars de combat.
- Chenilles Carden-Loyd Pidwell à 2 rangées de bossages de guidage
- La chenille géante, de type Carden-Loyd Pidwell, du ''crawler transporter de la NASA''
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Quelques dates
Vers 1900, plus d'une centaine de brevets portant sur la locomotion à chenille auraient déjà été déposés, et il est illusoire de vouloir inventorier des plans disparates, ou même des prototypes, plus ou moins réalisables.
Premières études et prototypes
Quelques auteurs de brevets ou prototypes, parmi d'autres :
- George Cayley (1773-1857) brevet 1826,
- Fiodor Blinov (1827–1902) brevet 1879,
- Clément Ader (1841-1925) brevets 1875 et 1878 prototype fonctionnel19 de chenilles porteuses non motrices (en 1877, quelques voitures portant des enfants et tirées par des chèvres ont circulé dans le Jardin des Tuileries). Ader dépose le 3 mai 1875 et le 19 février 1878 des additifs à son « système de voie pour chemin de fer amovible », une maquette et un prototype fonctionnel.
- Charles Dinsmoor (en) (1834–1904) brevet 1886,
- En 1903, le capitaine polytechnicien Levavasseur aurait établi les plans d'un canon automoteur à chenilles.
Au tournant du xxe siècle, l'utilisation de chenilles est passée du stade des prototypes au stade de la fabrication industrielle.
Les débuts de la chenille Holt (vers 1900)
- 1901 Alvin Orlando Lombard (en) (1856-1937) réalise quelque exemplaire du premier véhicule à chenille, le Lombard Steam Log Hauler (en).
- 1904 Benjamin Holt (en) (1849-1920), démonstration effective du premier tracteur à chenilles Holt utilisable pour le labour.
- 1905 Holt fonde la marque Caterpillar et commence une production à l'échelle industrielle.
- 1905 David Roberts (en) (18589-1928) ingénieur de la compagnie Richard Hornsby & Sons (en) réalise des tracteurs dont les chenilles diffèrent des chenilles Holt.
- 1908 Clarence Leo Best (en) (1878-1951) lance aussi une fabrication de tracteurs à chenilles.
- 1915 Prototype de char britanniques : Little Willie et Mark I, puis, dès 1916, nombreux modèles de tanks à chenilles Holt.
- 1925 Benjamin Holt et Clarence Leo Best s'associent pour fonder la Caterpillar Tractor Company.
Les débuts de la Chenille souple (vers 1910)
- 1910 Adolphe Kégresse (1879-1943) : Essais à Saint-Pétersbourg de chenilles souples en divers matériaux : cuir, cordes diverses, poils de chameau tressés...
- 1913 Adolphe Kégresse dépose un brevet de chenille en bande de caoutchouc.
Pendant l'hiver 1913, une autochenille atteint officiellement sur la Neva une vitesse de 60 km/h, établissant ainsi un record pour un véhicule à chenille.
- 1916 Ray H. Muscott, (Waters, Michigan): brevet d'une autochenille.
Les débuts de la Chenille type Carden-Loyd ou Pidwell (vers 1920)
L'idée d'alléger la chenille Holt, largement utilisée depuis 1905, semble naturelle. Cependant les première réalisations d'une chenille plus légère et mieux adaptée aux vitesses élevées n'apparurent qu'après 1920. Ses principaux21 inventeurs semblent avoir été :
- Archibald William Pidwell (1885-?), fabriquant de tracteurs agricoles près de Paris,
- John Valentine Carden (1892-1935), (mort dans un accident d'avion), qui travailla en collaboration étroite avec
- Vivian Graham Loyd (1894-1972). Ils avaient fondé en 1924 la compagnie Carden-Loyd Tractors Ltd, à Chertsey.
- Extraits de Wikipedia
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