[Note : ceci est le 4ème d'une série de 20 conseils de montage de roues qui seront publiés au cours de l'année 2009.]
Les monteurs de roues ont souvent recours à une « précontrainte » de leurs roues en dernière étape du montage. Tous les monteurs, surtout les novices, sont anxieux, car ils souhaitent que leur nouvelle roue soit aussi performante et stable que possible. À l'instar des rituels qui précédaient la chasse autrefois, nous cherchons à mettre toutes les chances de notre côté. Après tout, la chasse était importante, incertaine, exigeait habileté et chance, et comportait des dangers potentiels. Cela ressemble étrangement au cyclisme. C'est pourquoi la plupart des méthodes de montage de roues incluent une procédure de précontrainte.
Pourquoi le stress ?
Deux principes de base sous-tendent la tension des rayons dans les roues. Premièrement, les rayons qui se tordent lors du serrage et du dévoilage doivent être détendus afin que la roue neuve ne fasse pas de bruit si ce phénomène se produit lors des premiers tours de roue. Détendre les rayons risque également de voiler la roue, or nous souhaitons qu'elle reste droite dès le départ. Dans le conseil n° 3, concernant la torsion des rayons, je recommande de monter la roue de manière à éliminer toute torsion résiduelle. Si vous maîtrisez cette technique, il n'est plus nécessaire de précontraindre les rayons pour compenser leur torsion.
La seconde idée consiste à étirer les composants. Si une contrainte extérieure peut provoquer un étirement ou une déformation du moyeu, des rayons ou de la jante, susceptible de se produire plus tard dans la durée de vie de la roue, celle-ci sera plus stable et nécessitera moins d'ajustements. Cela paraît logique, mais son importance est relative, car les modifications au sein d'une roue en usage impliquent principalement des réductions périodiques de tension, et non des augmentations. Ainsi, une déformation future, sauf en cas de choc violent, ne représente pas un risque majeur.
La science de la gestion du stress
Alors, quelle est la véritable raison de « précontraindre » une roue ? Il s'agit ici de science des matériaux et de la pratique courante du traitement de relaxation des contraintes. Techniquement parlant, ce dont une roue neuve a réellement besoin, ce n'est pas de précontrainte, mais de relaxation des contraintes. Toute structure assemblée engendre de nouvelles forces au sein de ses composants. Ces forces comprennent des charges statiques, mais aussi des contraintes résiduelles. Parfois, ces contraintes sont bénéfiques, mais généralement, elles fragilisent la structure et favorisent la rupture par fatigue.
Un bon exemple (merci, Jobst) est le crochet de préhension utilisé par une grue industrielle. Ce type de crochet doit supporter des charges considérables sans se déformer ni s'user. Lors de sa fabrication, une section de métal droite est pliée en forme de « U », qui donnera au crochet sa forme finale. Cependant, si le « U » est légèrement surplié puis déplié jusqu'à obtenir la géométrie souhaitée, les contraintes accumulées dans le métal sont relâchées. Un tel crochet est plus robuste qu'un crochet simplement plié. Le crochet surplié puis déplié est ainsi détendu.
Comment soulager le stress
Avec une roue à rayons de vélo, la relaxation des contraintes peut se faire de deux manières. Premièrement, lors de l'insertion des rayons dans un moyeu, on remarque souvent qu'ils ne sortent pas de la bride du moyeu avec l'angle exact. La tension d'une roue finie suffit à redresser le rayon, mais il subsiste des contraintes résiduelles. Le rayon tend instinctivement à reprendre sa forme initiale. À chaque réduction de tension, le rayon a tendance à se courber pour revenir à sa forme d'origine. Cette flexion accélère la fatigue. La solution consiste à cintrer chaque rayon avec force pour lui donner la nouvelle forme AVANT la mise en tension. Même un léger surcintrage est bénéfique. Ainsi, avec les variations de tension lors du cyclisme, les rayons se déformeront moins. C'est le principe de la relaxation des contraintes.
Une seconde possibilité de relâcher les tensions existe une fois la roue tendue au maximum. En saisissant deux groupes de rayons parallèles côte à côte, un dans chaque main, et en exerçant une forte pression, leur tension augmentera momentanément sans endommager la roue. Augmenter la tension des rayons puis la diminuer a l'excellent effet de réduire les contraintes internes. Des rayons ainsi détendus offrent une meilleure résistance à la fatigue. Chaque roue montée à la main mérite ce simple geste.
Après quelques compressions de ce genre ou avec des rayons aérodynamiques, vous commencerez à porter des gants.
Évitez la brutalité
Beaucoup trop de méthodes de précontrainte ou de détente sont tout simplement trop brutales. Pousser une roue latéralement avec une force suffisante pour la déformer est dangereux. Il est facile d'endommager sa structure, car c'est son point faible. J'ai vu des constructeurs marcher sur leurs roues ou les laisser tomber de haut. Entre des mains expertes, de telles techniques peuvent être utiles, mais elles font perdre un temps précieux et causent souvent des dommages qui nécessitent des réparations supplémentaires. Certaines de ces pratiques relèvent davantage de la superstition que de la science. Mais qui pourrait blâmer les constructeurs d'antan ? Une grande partie du secret d'une roue reste cachée, et l'équilibre apparemment magique des forces et de sa résistance à l'usage est difficile à expliquer. Si vous êtes un peu superstitieux, je vous recommande d'effectuer un rituel doux avec la roue, comme une incantation ou brûler de l'encens. Si des esprits veillent sur notre travail, ils comprendront.
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John Schmidt
novembre 02, 2021
Very nice. I will add my two cents. 1. Bedding the nipples, heads, or untwisting the spokes is kind of important meaning it will happen anyway, regardless of your intervention. BUT Stress relieving is a different very important task. 2. I probably wouldn’t call it pre-stress, more like an over-stress. 3. Yes you are relieving residual stress, but more importantly you getting rid of any (self-induced) bending stress in the elbow by over-stressing. Before stress relieving, the spoke, if you were to un-tension it, it would probably want to point to say 4 inches left of the rim. That is, this is where it would naturally like to lie. But you grab it and pull it over to the rim’s spoke hole. Not a big deal right?, wrong ! : ) You’ve bent it (elastic or plastic, doesn’t matter you bent it ). Now it’s a Cantilever beam with force on it, with a bending stress in it, highest at the elbow. This stress doesn’t go away, but is additive to the tensile stress that gets added as the spoke is tensioned. Guess what? That bending stress plus the tensile stress (well its shear stress in the elbow) is invariably right up at yield strength of the spoke’s material. That high of stress (above the endurance limit) plus some cyclic stress and after about a million cycles (a couple years, depending) the spoke(s) breaks.
So what you are really doing with the over-stress is getting rid of that bending stress. You are trying to make the spoke, in its unloaded state, to naturally point right at the rim’s spoke hole. Since residual stress is what is in an object that is just sitting, unloaded, this induced bending stress probably technically cannot be called a residual stress. But whatever, we probably should just to keep things less confusing. The important thing is relieve it, by overstressing it, by grabbing spokes and ‘toggling over center on them’ and then releasing them. I personally do this task a bunch of times as I am building a wheel, at low tension, medium and final tension. But on final tension only, I am sure is fine. Minorly, you are also taking advantage of the Bauschinger effect which is “strain-hardening” or cold working the steel which makes it stronger in the direction of the over-stress.