Chargeuse sur pneus 101 — Mécanismes de la direction articulée et de la tringlerie du godet

Malgré son apparence simple — des pneus à l'avant et à l'arrière —, la chargeuse sur pneus repose sur une philosophie de conception pour les manœuvres et le creusement différente de celle de la pelle hydraulique et du bulldozer. La « direction articulée », où l'avant et l'arrière de la carrosserie se replient comme une charnière, et le « système de chargement », qui soulève le godet avant grâce à un vérin hydraulique et une tringlerie, sont les caractéristiques qui définissent cette machine.

Une chargeuse sur pneus en service

Image : Volvo Chargeuse L90G sur un chantier à Palo Alto (Grendelkhan, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Il ne s'agit pas de la série WA de Komatsu mentionnée dans le texte ; c'est un exemple représentatif pour comprendre la direction articulée et la configuration de la tringlerie du godet.

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Figure 1 — La tringlerie en Z utilise un levier coudé pour rediriger la force et obtenir une force de poussée importante. La tringlerie parallèle maintient l'angle du godet quasiment constant, même lors de mouvements verticaux. La partie inférieure illustre l'angle d'articulation de la direction articulée.

0. Résumé en 30 secondes

• La plupart des chargeuses sur pneus sont équipées d'une direction articulée, dans laquelle les châssis avant et arrière se replient au milieu. L'extension et la rétraction des vérins de direction créent l'angle d'articulation, modifiant ainsi la direction de l'ensemble de la machine.

• La tringlerie du godet se décline en deux types : la tringlerie en Z Le type à biellette en Z utilise un levier coudé pour rediriger la force, tandis que le type à biellette parallèle utilise un système à quatre barres parallèles pour maintenir l'angle du godet quasi constant. Ces deux types diffèrent par leur équilibre entre force d'arrachement, visibilité et performance de transport à niveau.

• La force d'arrachement (la force générée au niveau du tranchant du godet) correspond à la force transmise par la poussée du vérin du godet via le bras de levier de la biellette. Elle varie en fonction de l'angle de la biellette, même à pression hydraulique constante. La norme SAE J732 fournit un vocabulaire commun pour les spécifications des chargeuses, permettant de comparer ce type de valeur.

• La pelle hydraulique assure les opérations de terrassement et de chargement, tandis que le bulldozer est conçu pour le poussée et le nivellement. La chargeuse sur pneus, quant à elle, est optimisée pour le pelletage, le chargement et le transport. Les différences de rayon d'action et de pression au sol reflètent également cette répartition des rôles.

• La série WA de Komatsu publie la puissance du moteur, la capacité du godet et la force d'arrachement, de la catégorie mini à la catégorie moyenne, servant de base à la modélisation. Sélection.

1. Cinématique de la direction articulée

Au lieu de diriger les roues avant, de nombreuses chargeuses sur pneus adoptent une direction articulée. Dans ce système, la caisse du véhicule se replie à mi-chemin entre les châssis avant et arrière. Deux vérins de direction, gauche et droit, actionnent une charnière verticale reliant les châssis avant et arrière, créant un angle d'articulation \gamma.

En notant a la distance entre la charnière et l'essieu avant, et b la distance entre la charnière et l'essieu arrière, un modèle simplifié, supposant un patinage négligeable des pneus à basse vitesse (roulement pur), donne un rayon de braquage au niveau de la charnière d'environ :

Plus l'angle d'articulation est grand, plus le rayon de braquage est petit, réduisant ainsi le nombre de manœuvres d'avant en arrière nécessaires dans les espaces restreints. En revanche, plus le chevauchement entre les châssis avant et arrière est important, plus le compromis entre le rayon de braquage minimal et l'empattement est conséquent. Comparativement aux véhicules à roues avant directrices, la relation entre le centre de gravité et le point de contact au sol d'une chargeuse articulée évolue plus rapidement en virage. Un virage serré avec un godet plein de terre augmente le risque de basculement. Il s'agit d'un défi de conception en matière de stabilité, spécifique aux chargeuses sur pneus et différent du comportement en virage des pelles hydrauliques ou des bulldozers sur chenilles.

2. La tringlerie du godet : types à biellette en Z et à biellette parallèle

À l'extrémité du bras de levage, le godet effectue des mouvements de haut en bas, de compactage et de déversement grâce à un vérin et une tringlerie (renvoi de matériaux). Les deux types les plus courants sont les suivants :

Type à biellette en Z : Une biellette est placée au milieu du bras de levage et redirige le mouvement du vérin vers le godet via une biellette en forme de « Z » (ou « kuno-ji »). L'utilisation d'un rapport de biellette important permet d'obtenir plus facilement une force de compactage élevée. (Couple de poussée) à poussée de vérin identique, adapté aux travaux d'excavation. En revanche, en position haute du bras de levage, l'angle du godet tend à varier, ce qui complique la visibilité et le contrôle de l'angle de déversement.

Type à bras parallèles : Un bras auxiliaire, parallèle au bras de levage, supporte le godet, et une liaison à quatre barres maintient l'angle du godet quasi constant malgré les variations de l'angle du bras de levage. Ce type convient aux travaux tels que le chargement de camions, où la stabilité d'assiette et la visibilité en hauteur sont essentielles. On considère généralement qu'il est moins performant que le type à barres en Z en termes de force d'arrachement, et leur utilisation diffère selon l'application. Komatsu publie également des études techniques évaluant les performances des machines à bras parallèles.

Dans les deux types, la poussée du vérin du godet est convertie, via la liaison, en couple autour de l'axe de rotation du godet. Le bras de levier variant avec l'angle de la liaison, la force d'arrachement générée… La force d'arrachement à l'extrémité du godet dépend à la fois de la poussée du vérin et de la géométrie de la tringlerie :

où r_{edge} représente la distance entre le centre de rotation du godet et le tranchant. La « force d'arrachement maximale » indiquée dans un catalogue correspond généralement à une valeur mesurée près de l'angle du godet qui maximise ce rapport. Or, cette force n'est pas identique quel que soit l'angle d'attaque en conditions réelles d'utilisation.

3. Force d'arrachement et interprétation des spécifications

La force d'arrachement est définie comme la force générée au tranchant lors de l'application d'une charge, depuis le godet enfoncé dans le sol jusqu'à la pression de décharge du vérin. La norme SAE J732 définit de manière uniforme la terminologie des spécifications des chargeuses, offrant ainsi un cadre commun pour comparer des valeurs telles que la force d'arrachement et la capacité du godet entre les différents fabricants. Cependant, la signification d'une valeur variant selon les conditions de mesure (angle d'attaque du godet, angle du bras de levage et vérin principal), il est indispensable de vérifier que les valeurs indiquées dans le catalogue ont été mesurées dans les mêmes conditions d'essai avant toute comparaison. Les voici.

Selon les spécifications publiques de Komatsu, la force d'arrachement maximale du godet du WA40-8 est de 29,4 à 29,9 kN (3 000 à 3 050 kgf). Même au sein d'une même série, la force d'arrachement augmente avec la taille de la machine, en raison de la combinaison du diamètre du vérin, de la pression hydraulique et du rapport de liaison.

4. Répartition des rôles : pelle hydraulique et bulldozer

La pelle hydraulique et le bulldozer présentés ailleurs sur ce site sont principalement destinés au terrassement et au nivellement du terrain. La chargeuse sur pneus, quant à elle, est optimisée différemment : pour le chargement de terre, de pierres concassées ou de granulats déjà présents, sur un véhicule de transport ou en stock.

La chargeuse sur pneus est équipée de pneus car elle se déplace souvent de manière autonome sur les routes publiques ou les terrains nivelés du site, est plus rapide que les chenilles et ses pièces d'usure sont plus faciles à remplacer. En revanche, elle est moins performante que les chenillées en traction sur terrain meuble ou accidenté et en maniabilité lors d'un demi-tour. Sur un chantier, on observe souvent une répartition des tâches où une pelle hydraulique creuse et met la terre en tas, tandis qu'une chargeuse sur pneus la charge dans un camion-benne.

5. La gamme Chargeuses sur pneus présentes dans les produits actuels

La puissance et la capacité du godet sont globalement proportionnelles, mais la force d'arrachement étant également influencée par le rapport de transmission et l'alésage du cylindre, la tendance varie selon le fabricant et le modèle, même au sein d'une même catégorie de puissance. Le choix d'un modèle doit prendre en compte non seulement la puissance et la capacité du godet, mais aussi… Il convient également de prendre en compte le type de liaison (en Z ou à bras parallèles) en fonction de la hauteur de chargement requise et de la visibilité sur le chantier.

6. Résumé

Les performances d'une chargeuse sur pneus ne se mesurent pas uniquement à la puissance du moteur et à la capacité du godet. La géométrie de la direction articulée, qui permet de replier la carrosserie pour une maniabilité optimale, et le rapport de conversion de la poussée du vérin en force au niveau du tranchant, sont les facteurs déterminants de son efficacité réelle. Le choix entre une liaison en Z et une liaison à bras parallèles représente un compromis entre la force d'excavation et la stabilité/visibilité en hauteur. La sélection d'un modèle adapté à la répartition des rôles avec la pelle hydraulique et le bulldozer est essentielle pour une productivité optimale sur le chantier.

Références

• Assistance clientèle Komatsu — Informations produit WA100-8

• Assistance clientèle Komatsu — Informations produit WA30-6E0

• Komatsu — Spécifications de la mini-chargeuse sur pneus WA40-8

• Rapport technique Komatsu — Application du DSS aux performances des chargeuses sur pneus à bras parallèles

• SAE International — J732 : Définitions des spécifications — Chargeuses