Réservé aux passionnés de rayons

octobre 31, 2010 4 Commentaires

Si vous n'êtes pas un passionné d'ingénierie des rayons, veuillez ne pas poursuivre votre lecture.

L'un des meilleurs examens de la physique des roues et des performances des rayons est un article de 1996 d'Henri Gavin, intitulé Bicycle Wheel Spoke Patterns and Spoke Fatigue.

Ses conclusions et prédictions suscitent chaque année de nombreux retours sur les forums et les échanges consacrés aux principes des roues de vélo. À la page 11, il fait référence aux tests de rayons menés à Stanford en 1984 et 1985 par Wheelsmith. Mon frère Jon et moi développions alors un rayon de qualité supérieure, et la proximité de Stanford avec notre université a permis de mener des recherches novatrices. Des rayons ont été testés et des conclusions ont été tirées. Plus récemment, Charles Ramsey a émis l'hypothèse que le rayon idéal serait celui où la rupture au niveau du coude serait aussi probable qu'au niveau du filetage.

Avec un rayon de calibre 14 (2,0 mm de diamètre), la rupture au niveau du coude est bien plus probable qu'au niveau du filetage. En revanche, avec un rayon de calibre 15 (1,8 mm de diamètre), c'est l'inverse : la rupture du filetage est plus probable. Cela est dû en grande partie au pas de filetage ISO utilisé pour les deux diamètres (56 dents). Jobst Brandt a fait remarquer que, dans un monde parfaitement rationnel, un pas de filetage plus fin serait utilisé sur les rayons plus fins de calibre 15, afin de réduire la concentration de contraintes au niveau du filetage. Voici un extrait du raisonnement de Charles :

Sur les rayons Wheelsmith testés, 8 ont cassé au niveau du filetage et 68 au niveau du coude. Les rayons ont également été testés sous différentes contraintes. L'article de HP Gavin donne la formule suivante : Log S = -0,3 Log N + 4,12. Les ruptures suivent une distribution normale avec un écart-type de 0,072. Si l'on trace deux distributions normales séparées par un écart-type de 2,5004, le centre de leur intersection correspond à une aire de 8/76 pour l'une et de 68/76 pour l'autre. Ce centre représente la moitié des ruptures possibles. Aucun rayon n'a cassé simultanément au niveau du filetage et du coude. En réinjectant l'écart-type de 2,5004 dans l'équation, on obtient : Log S = -0,3 Log N + 4,12 + 2,5004 × (0,072). La résolution de cette équation pour un nombre quelconque de cycles donne une différence de contrainte de 1,514. Ainsi, un rayon à épaisseur constante est 1,514 fois plus résistant au niveau du filetage qu'au niveau du coude. Si vous fabriquez un rayon de 2,46 mm au coude et de 2,0 mm au niveau du filetage, il aura autant de chances de casser au coude qu'au niveau du filetage. Ce rayon est réalisable et je pense qu'il est compatible avec les moyeux Shimano. On pourrait réduire le diamètre de l'écrou à 1,36 mm au lieu de 1,27 mm, ce qui permettrait de serrer les rayons de 7 % supplémentaires. Je crois qu'une jante Weinmann 519 accepte un écrou de 0,156 pouce percé pour des rayons de calibre 14. Je n'ai jamais réussi à fissurer une de ces jantes au niveau du trou de rayon, même si j'ai tordu une dizaine d'axes de roue arrière pleins de 10 mm. Avec un filetage roulé, le diamètre intérieur du filetage est de 1,8 mm. Il y a bien sûr une concentration de contraintes, donc le centre du rayon pourrait être aminci, peut-être à 1,7 mm. Un tel rayon ne serait pas assez rigide pour moi ; j'ai beaucoup de jeu dans la direction avec les sacoches, donc je préfère un rayon à simple épaisseur variable.

Ses calculs me semblent valides et l'hypothèse selon laquelle un rayon à simple épaisseur variable de 2,46 mm x 2,0 mm serait plus idéal est également logique.

Cela explique en partie le succès rencontré avec les rayons Alpine, DH et Strong. Bien que les rayons de 2,3 mm x 2,0 mm soient légèrement moins épais au niveau du coude (comparativement aux 2,46 mm de Charles), ils éliminent quasiment tout risque de casse. En pratique, la rupture ne se propage pas au filetage, mais plutôt au moyeu (fissure de la bride), à ​​la jante (fissure du trou) ou, à terme, à la jante (accident).

Il existe néanmoins une autre particularité de cette application qui mérite d'être mentionnée. Tout au long de notre expérience dans la fabrication de rayons, plus nous testions et observions les résultats empiriques, plus nous écoutions les métallurgistes, plus il nous semblait que la qualité du fil primait sur tous les autres facteurs. Il ne s'agit pas d'une observation scientifique, car le nombre de variables est si élevé qu'une méthode de déduction fiable dépasse largement mes compétences. Pourtant, nous avons régulièrement constaté des résultats exceptionnels lorsque le fil était sans défaut. Les situations les plus difficiles concernant le moyeu, la jante, la tension et la charge étaient facilement gérées avec un fil impeccable. Il ne s'agit pas seulement des propriétés mécaniques absolues du fil, mais aussi de la réussite de sa fabrication, c'est-à-dire la production de rayons exempts de défauts de microstructure susceptibles de favoriser la fatigue.

Ainsi, si l'on disposait d'un fil aux propriétés inférieures de 30 % mais permettant de fabriquer un rayon d'une régularité exceptionnelle, on obtiendrait de meilleurs résultats qu'avec un fil au potentiel plus élevé mais plus difficile à travailler. Ceci constitue, bien sûr, un point négatif pour l'acier inoxydable, du fait de sa tendance à l'écrouissage.

Par conséquent, ma recherche du rayon idéal est davantage guidée par le besoin de constance que par la géométrie. La rupture d'un rayon résulte de la combinaison d'un grand nombre de cycles de fatigue et d'un défaut métallique préexistant : discontinuité cristalline, anomalie de dureté, impureté, etc. La simple présence d'une forte fatigue ne suffit pas. Le fil doit présenter un défaut. Certains rayons ont tenu 160 000 kilomètres. Leurs propriétés sont conformes à leur composition. Mais ils ne présentaient aucun défaut.

Un bon exemple en est celui des roues tandem conçues pour la scène cycliste naissante de la côte ouest américaine dans les années 80. Leur succès reposait sur l'utilisation de rayons de la meilleure qualité possible, quel que soit leur diamètre, et non sur des dimensions supérieures obtenues avec un fil de diamètre irrégulier. Peut-être en déduisons-nous que les rayons de vélo, malgré leur apparence ultra-fine, sont en réalité surdimensionnés. Dans ce cas, un fil de 2,0 mm est largement suffisant, pourvu qu'il soit de diamètre constant.

Merci Charles pour tes prédictions, mais je vais continuer à réfléchir à l'utilisation d'un fil de qualité supérieure. Bien sûr, augmenter le diamètre du coude est un avantage évident, car les fabricants de moyeux percent des trous surdimensionnés depuis un certain temps.

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