Rares sont les mécanismes conçus à la limite du possible. Fabriquer des objets coûte cher et une certaine fiabilité est indispensable. D'où le surdimensionnement. Pourtant, le cyclisme et l'aviation semblent repousser ces limites comme nul autre. Pour des raisons bien différentes, chacun doit surmonter de nombreux obstacles pour réussir. La sécurité des personnes est une préoccupation majeure dans les deux cas. Pour en savoir plus sur les liens entre cyclisme et aviation, cliquez ici.
Lorsqu'on pousse les structures à leurs limites, on est confronté aux propriétés des matériaux : leur résistance, leur rigidité, leur endurance, leur dureté, leurs propriétés thermiques, leur élasticité, etc. C'est particulièrement vrai pour les roues de vélo, sans doute la structure la plus simple et la plus efficace qui soit. Ces derniers temps, je me suis beaucoup intéressé à l'élasticité.
Une roue de vélo se compose d'un pneu, d'une jante, de rayons et d'un moyeu. Le comportement élastique du pneu est facile à comprendre : un textile recouvert de caoutchouc est souple au toucher tant qu'il n'est pas gonflé. Sous une pression d'air suffisante, le pneu devient ferme et capable de supporter le vélo à grande vitesse. En cas de choc violent, son élasticité lui permet de se déformer momentanément, absorbant ainsi l'impact et évitant les dommages.
Le reste de la roue – aluminium, fibre de carbone, acier – paraît rigide et inélastique en comparaison. Pas de caoutchouc ici. Pourtant, en analysant de près le comportement dynamique d'une roue, on découvre un monde de mouvements élastiques qui sont au cœur même de son efficacité.
Hub Flex
Les moyeux semblent être de simples bobines rotatives reliant rayons et cadres. En réalité, ils subissent des forces considérables, suffisamment extrêmes pour se déformer. Le système de blocage rapide, par exemple, développe une force de compression énorme, approchant les 450 kg. L'axe du moyeu se contracte sous l'effet de cette force, et les concepteurs de moyeux doivent recourir à des astuces pour assurer le bon fonctionnement des roulements.
La tension des rayons sur un moyeu en aluminium étire le corps de la roue, élargissant ainsi le logement du roulement. Un roulement bien ajusté peut se desserrer une fois les rayons tendus. Le logement du roulement doit donc être légèrement sous-dimensionné pour compenser la déformation induite par la tension.
Les forces latérales exercées sur la jante sont amplifiées par la géométrie lorsqu'elles atteignent le moyeu. On privilégie donc des axes de plus grand diamètre pour limiter la flexion du moyeu.
Étirement des rayons
Aucun composant de vélo n'est régulièrement soumis à des contraintes aussi proches de sa limite de rupture que les rayons. La charge statique d'un rayon peut atteindre un tiers de sa résistance à la rupture. Cela exige que le fil de rayon soit extrêmement résistant et uniforme. La résistance à la traction et la constance de ces matériaux sont les plus élevées de toute l'ingénierie.
Sous la contrainte extrême d'une roue de vélo, les rayons s'allongent. Un rayon en acier à épaisseur constante s'allonge de plus de 1 mm lors du montage d'une roue. Les rayons à épaisseur variable s'allongent davantage, ce qui influe sur le confort, la durée de vie et le maintien des écrous de rayon. L'élasticité des rayons est un facteur déterminant pour la performance d'une roue de vélo.
Déformation du bord
Les jantes, notamment celles en aluminium, sont conçues pour être rigides. Chargées de 20 à 32 rayons tendus, elles forment une structure incroyablement ferme, presque cassante. Pourtant, à y regarder de plus près, on constate que les jantes se déforment de façon spectaculaire grâce à leur élasticité.
Lors de la fixation des rayons, une force de compression considérable est appliquée à la jante. Elle peut atteindre 272 kg (600 lbs), mesurée au niveau d'un joint de jante. Du fait de la faible masse et de la densité de la jante, celle-ci se rétrécit temporairement. La pression du pneu à tringle repousse les talons de la jante vers l'extérieur. On peut utiliser un pied à coulisse sur la bande de freinage pour observer ces modifications. Sous l'effet de la pression, les bandes de freinage parallèles s'inclinent de plus d'un degré.
La pression de gonflage étire la jante au niveau du frein, ce qui modifie sa surface interne. Pour de nombreuses jantes, cette déformation suffit à allonger les rayons et à modifier leur tension de plus de 20 %. En dégonflant le pneu, la surface de freinage reprend sa forme initiale et la tension des rayons augmente.
En pédalant, toutes ces déformations élastiques se combinent pour définir le comportement de la roue. Ce n'est pas seulement le pneu qui est en mouvement élastique constant. Une structure aussi légère qu'une roue de vélo standard est une structure complexe et dynamique. Il n'est donc pas étonnant qu'il existe autant d'opinions et d'observations sur les innombrables combinaisons de composants, de tension des rayons, de pression des pneus et de style de conduite.
Plus j'en apprends sur les roues, plus je découvre de secrets. J'ai découvert les propriétés élastiques des rayons en les étudiant chez Wheelsmith dans les années 1980. Il est désormais évident que tous les composants d'une roue possèdent des propriétés élastiques qui influent sur leurs voisins et sur les performances de la roue. Cette élasticité est considérable et il est essentiel d'en tenir compte lors de la conception, de la fabrication ou de l'utilisation de ces magnifiques engins.
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mike
février 12, 2024
try plain gauge spokes and a slighty stronger double walled alloy rim,this hardley ever happens on these,i get a 2kgf decrease in thev spokes at the most,with lighter rims these days and very tight fitting tires does not help,these newer rims are just becoming too thin