Fabriquer une roue et un essieu

En une phrase

La roue est un disque qui tourne autour d’un axe fixe, transformant le glissement en roulement et rendant le transport de charges lourdes dix fois plus facile.

Qu’est-ce que c’est ?

La roue est l’une des six machines simples. Elle transforme une force de frottement élevée (faire glisser un objet lourd sur le sol) en une force de frottement très faible (faire rouler un disque sur le sol). Le rapport entre le frottement de glissement et le frottement de roulement est d’environ 10 à 1. C’est-à-dire qu’une charge qui nécessite 500 kg de force pour être traînée ne nécessite que 50 kg de force pour être roulée.

La roue se compose de deux parties inséparables : le disque (la roue elle-même) et l’essieu (le cylindre sur lequel la roue tourne). L’essieu peut être solidaire de la roue (les deux tournent ensemble) ou indépendant (la roue tourne autour de l’essieu fixe).

Il existe trois types de roues :

1. Roue pleine : un disque de bois massif, le plus simple, le plus lourd. Utilisé pour les véhicules lents.
2. Roue à rayons : un moyeu central, des rayons fins, et une jante. Plus légère, plus rapide. Utilisée pour les chars et les moulins.
3. Roue cerclée : une roue à rayons avec un bandage de fer sur la jante pour résister à l’usure. La plus évoluée.

Où trouver/fabriquer

Le bois

Le choix du bois est crucial.

Pour le moyeu (centre de la roue) : besoin de bois dur, dense, résistant à la compression et au fendage. Les meilleurs : orme (ne se fend presque pas), chêne (dur et résistant), frêne (flexible et résistant aux chocs). Le moyeu subit les plus fortes contraintes de toute la roue.

Pour les rayons : besoin de bois flexible et résistant. Frêne (idéal, flexible et solide), chêne (plus lourd mais très résistant), hêtre (correct mais moins durable).

Pour la jante (bord extérieur) : besoin de bois très dur, résistant à l’abrasion. Chêne (le standard), orme (très résistant au fendage), frêne (bon compromis).

Pour l’essieu : besoin de bois très résistant à l’usure, lisse quand il est poli. Frêne (le meilleur pour les essieux), chêne (bon mais lourd), charme (très dur). L’essieu doit être plus dur que le moyeu, pour que l’usure se fasse dans le moyeu (remplaçable) et non dans l’essieu.

Le fer

Le bandage de fer protège la jante et empêche la roue de se déformer. Sans fer, la roue s’use en quelques centaines de kilomètres sur les sols durs. Avec fer, elle dure des milliers de kilomètres.

Voir Forger des outils en fer pour la production de fer et Fondre le bronze pour le bronze (alternative au fer pour les bandages). Le fer est préférable car plus résistant.

Les outils

• Scie ou serpe (voir Fabriquer des outils de menuiserie)
• Ciseau à bois et maillet
• Tarière (perceuse à main en bois ou fer) — pour percer le trou du moyeu
• Plane et rabot — pour façonner les pièces
• Raie — pour tracer les lignes droites
• Marteau et enclume — pour le bandage

Étapes détaillées : roue à rayons en bois cerclée de fer

Étape 1 : Fabriquer le moyeu

Le moyeu est le cœur de la roue. C’est un bloc cylindrique de bois dur, percé d’un trou central pour l’essieu et de trous latéraux pour les rayons.

1. Choisir le bois : un tronc d’orme ou de chêne de 20-25 cm de diamètre. Le moyeu doit être taillé dans un seul bloc massif, sans fente ni nœud.
2. Ébaucher : scier un cylindre de 20-25 cm de diamètre et 15-20 cm de long. Arrondir les bords.
3. Tourner ou sculpter : avec une plane ou un couteau, rendre le cylindre parfaitement rond. Les surfaces doivent être lisses.
4. Percer le trou central : avec une tarière, percer un trou de la taille de l’essieu (généralement 5-8 cm de diamètre) au centre exact du moyeu. Le trou doit être parfaitement centré et droit. Une déviation de 2 mm déséquilibre la roue.
5. Percer les trous des rayons : autour du moyeu, percer des trous inclinés à l’extérieur (en fuyant) pour recevoir les rayons. Le nombre de trous correspond au nombre de rayons (généralement 8, 10 ou 12). Les trous sont espacés régulièrement et inclinés de sorte que les rayons divergent vers la jante.
6. Huiler : badigeonner le trou central d’huile ou de graisse animale pour réduire le frottement.

Étape 2 : Fabriquer les rayons

Chaque rayon est un bâton profilé, évasé au moyeu et à la jante, mince au milieu.

1. Couper les ébauches : scier des bâtons de bois de frêne ou de chêne, longs de 40-60 cm (selon le diamètre de la roue), section de 4x4 cm.
2. Profiler : avec une plane, sculpter chaque rayon en forme de losange allongé : épais aux extrémités qui s’emboîtent dans le moyeu et la jante, mince au centre (environ 2x3 cm). La section du milieu est plate dans le sens de la rotation et étroite dans le sens latéral.
3. Ajuster les tenons : chaque extrémité du rayon porte un tenon (une excroissance cylindrique) qui s’emboîte dans le trou correspondant du moyeu. Les tenons doivent être ajustés au trou avec précision : assez serrés pour ne pas bouger, mais pas au point de fendre le moyeu.
4. Sécher : les rayons doivent être secs (bois à 12-15% d’humidité). Sécher à l’ombre pendant plusieurs semaines si nécessaire.

Étape 3 : Fabriquer la jante (felloes)

La jante est le cercle extérieur de la roue, en contact avec le sol. Elle est composée de plusieurs morceaux de bois courbés appelés jantes ou felloes.

1. Calculer les dimensions : pour une roue de 1 mètre de diamètre, la circonférence est d’environ 3,14 m. Si on a 8 rayons et donc 8 felloes, chaque felloe mesure environ 39 cm de long.
2. Courber le bois : méthode par cintrage à la vapeur. Voir la technique ci-dessous.
3. Couper les felloes : chaque felloe est un morceau de bois dur de 39 cm de long, 8-10 cm de large et 5-7 cm d’épaisseur, courbé selon le rayon de la roue.
4. Creuser les mortaises : aux extrémités de chaque felloe, creuser des mortaises (encoches) pour emboîter les tenons des rayons.
5. Assembler à sec : emboîter tous les felloes et rayons sans colle pour vérifier l’ajustement. La jante doit former un cercle parfait.

Cintrage du bois à la vapeur

Pour courber le bois sans le casser :

1. Fabriquer un étuve : un tuyau ou une caisse étanche de la longueur du bois à courber.
2. Faire bouillir de l’eau à une extrémité. La vapeur remplit l’étuve.
3. Placer le bois dans l’étuve pendant 1 à 2 heures (le bois doit être saturé de vapeur).
4. Sortir le bois chaud et humide, et le plier immédiatement sur un gabarit (un moule en bois de la courbure voulue).
5. Maintenir le bois plié avec des sangles ou des brides. Laisser sécher 24 à 48 heures.
6. Le bois conserve la courbure une fois sec.

Étape 4 : Assembler la roue

1. Emboîter les rayons dans le moyeu : enfoncer les tenons des rayons dans les trous du moyeu à coups de maillet. Chaque rayon doit rentrer fermement, mais sans forcer au point de fendre le moyeu.
2. Emboîter la jante sur les rayons : enfoncer les extrémités libres des rayons dans les mortaises de la jante. Commencer par un felloe, puis le suivant, tout autour.
3. Vérifier la planéité : poser la roue sur un sol plat. Elle doit reposer sur toute la jante, sans balancement. Si la roue oscille, un rayon est trop long ou trop court. Ajuster.
4. Vérifier la perpendicularité : la roue doit tourner sans dévers (sans déviation latérale). Vérifier en la faisant tourner sur l’essieu.
5. Coller les assemblages : enduire les tenons et mortaises de colle de poisson ou de résine avant l’assemblage final. La colle renforce les liaisons.

Étape 5 : Fabriquer l’essieu

1. Choisir le bois : un tronc de frêne de 10-15 cm de diamètre. L’essieu doit être un bois plus dur que le moyeu.
2. Ébaucher : scier un cylindre de la longueur du véhicule plus 40 cm de chaque côté (pour les roues). Le diamètre doit correspondre au trou du moyeu (généralement 8-12 cm).
3. Tourner et polir : avec une plane puis du papier de verre ou de la pierre poudrée, rendre la surface de l’essieu parfaitement lisse et cylindrique. Plus la surface est lisse, moins le frottement est grand.
4. Tailler les butées : à chaque extrémité, tailler un épaulement (un rebord) qui empêche la roue de glisser hors de l’essieu. Tailler aussi une gorge pour le châssis du véhicule.
5. Huiler copieusement : l’essieu doit être généreusement graissé (graisse animale ou huile végétale) avant d’y enfiler les roues. La graisse doit être renouvelée régulièrement (tous les 50 km environ).

Étape 6 : Cercler la roue de fer (le bandage)

Le bandage est un cercle de fer qui entoure la jante et la protège de l’usure. C’est l’innovation qui rend la roue durable.

1. Mesurer la jante : mesurer la circonférence exacte de la roue terminée.
2. Forger le bandage : voir Forger des outils en fer. Forger une bande de fer plate de la largeur de la jante (5-7 cm), épaisse de 5-8 mm, longue de la circonférence de la roue MOINS 1 à 2 cm (le bandage doit être légèrement plus petit que la roue — c’est la clé de l’assemblage).
3. Soudure : souder les deux extrémités de la bande de fer pour former un cercle fermé. Voir Souder et assembler les métaux.
4. Chauffer le bandage : placer le bandage dans un foyer de forge et le chauffer à rouge cerise. Le fer se dilate en chauffant.
5. Poser le bandage : sortir le bandage chaud du foyer. Le glisser rapidement autour de la jante de la roue. Le bandage, étant dilaté par la chaleur, passe autour de la jante avec un petit jeu.
6. Refroidir : asperger la roue d’eau froide ou laisser refroidir. Le bandage se contracte en refroidissant et serre la jante avec une force énorme. Cette contraction maintient la jante serrée et solidifie tout l’assemblage de la roue.
7. Vérifier : le bandage doit être en contact permanent avec la jante, sans jour ni espace.

Variations par climat

En climat tempéré

• Les bois durs européens (chêne, frêne, orme) sont les meilleurs pour les roues. L’orme est traditionnellement utilisé pour les moyeurs car son grain entrelacé ne se fend pas.
• Les routes sont poussiéreuses mais praticables. Les bandages de fer sont indispensables.
• L’environnement idéal pour la fabrication de roues.

En climat tropical

• Les bois tropicaux comme l’acacia, le teck ou l’ébénier sont extrêmement durs. Excellents pour les jantes et les essieux.
• L’humidité constante fait gonfler le bois. Les roues doivent être construites avec du bois bien sec et les assemblages doivent prévoir le gonflement.
• Les termites attaquent le bois. Traiter les roues avec de l’huile ou de la cire pour les protéger.

En climat désertique

• Le bois est rare. Les roues sont précieuses et doivent être entretenues avec soin.
• Le sable use les jantes très rapidement. Le bandage de fer est indispensable.
• L’air sec ne pose pas de problème de gonflement du bois.
• Alternative : la roue pleine en planches assemblées est plus facile à fabriquer dans les régions où le bois est rare et de petite dimension.

En climat froid / boréal

• Le gel rend les routes accidentées. Les roues doivent être solides et les rayons épais.
• Le bois gelé est plus cassant. Éviter de monter les roues par grand froid.
• Les jantes de bois sans fer peuvent suffire sur la neige et la glace (moins d’abrasion), mais le fer reste préférable pour la cohésion.

Pièges et erreurs courantes

• Moyeu fendu : si les trous des rayons sont trop gros ou trop rapprochés, le moyeu se fend. Utiliser de l’orme et percer des trous de taille juste.
• Rayons trop menus : des rayons trop minces se cassent sous la charge. En terrain accidenté, les rayons doivent être au moins 3x4 cm de section au milieu.
• Roue voilée : si les rayons ne sont pas tous de la même longueur, la roue voile et tape le sol. Vérifier avec un gabarit.
• Essieu qui chauffe : un essieu mal poli, mal graissé ou trop fin pour la charge surchauffe et peut prendre feu. Toujours graisser et vérifier la température de l’essieu en roulant.
• Bandage trop grand : si le bandage n’est pas plus petit que la jante à froid, il ne serre pas et se détache. Toujours calculer le bandage plus court que la circonférence de la roue.
• Bandage trop petit : si le bandage est trop petit, il ne passe pas sur la jante même en chauffant. Mesurer précisément.
• Bois pas assez sec : le bois humide se rétracte en séchant et les assemblages se desserrent. Toujours utiliser du bois à 12-15% d’humidité.
• Roue qui se démonte : le bandage de fer maintient toute la roue en pression. Sans bandage, les rayons peuvent se désolidariser du moyeu. Toujours bander la roue.

Une fois que vous savez faire ça, vous pouvez débloquer

• Construire un moulin à eau — la roue hydraulique est une application directe de la roue
• Construire un moulin à vent — les pales du moulin sont des rayons avec des voiles
• Fabriquer des engrenages — les engrenages sont des roues dentées
• Construire un bateau en bois — une roue à aubes est une roue modifiée

Notes

• La roue a été inventée il y a environ 5500 ans en Mésopotamie, d’abord comme roue de potier (tour de potier), puis comme roue de véhicule.
• Les premières roues étaient pleines (disques massifs de bois). La roue à rayons est apparue vers 2000 avant notre ère.
• Le bandage de fer est apparu vers 1000 avant notre ère et a révolutionné le transport.
• Un essieu en bois bien graissé a un coefficient de frottement d’environ 0,1 à 0,2, soit 10 à 20 fois plus de résistance qu’un roulement à billes moderne. C’est déjà suffisant pour déplacer des charges de plusieurs tonnes.
• La graisse animale (saindoux, suif) est le meilleur lubrifiant naturel pour les essieux. Renouveler toutes les 30 à 50 kilomètres de route.