L'obstination du cycliste à avancer crée une tension dans la chaîne qui actionne le pignon de la roue arrière. La force de torsion (couple) se transmet du moyeu à la jante, puis au sol, et le voilà parti.
La roue, de par sa structure très épurée, doit gérer efficacement ce couple sans flexion, fatigue ni poids excessif. Grâce à l'ingéniosité du rayonnage tangentiel, une roue arrière peut transmettre le couple avec aisance.
Les roues à rayons métalliques étaient utilisées depuis des décennies avant l'invention du rayonnage tangentiel. On attribue à James Starley la création du premier produit à rayons tangentiels, le vélo Ariel de sa société Coventry Sewing Machine Company.
La roue avant de l'Ariel possède deux leviers radiaux parmi les rayons (et un seul pour la roue arrière). À l'extrémité de chaque levier se trouve une liaison filaire avec la jante. Une fois serrés, les rayons, initialement semi-libres, se stabilisent et forment un angle légèrement tangentiel entre le moyeu et la jante. Cet angle optimise la transmission du couple.
C’est précisément ce qui se produit lorsqu’une roue radiale doit transmettre un couple. Un léger effet de levier se crée, chaque rayon faisant office de petit bras de levier pour gérer le couple. Avant cet effet de levier, une roue radiale est théoriquement incapable de transmettre un couple. Voici une roue simplifiée ne comportant que 4 rayons tirants et 4 rayons poussants. Leur angle tangentiel par rapport au moyeu signifie que tous contribuent à la transmission du couple.
La bonne nouvelle, c'est la capacité de la roue à supporter le couple. La résistance nécessaire pour supporter les charges verticales (sa fonction principale) implique naturellement un surdimensionnement pour le couple. Les roues transmettent le couple comme les chaînes. Personne n'est assez fort pour casser une chaîne de vélo à la seule force de ses jambes. Les chaînes cassent à cause de la rouille, de défauts et de maillons défectueux. Les roues peuvent supporter tout le couple des cyclistes les plus puissants grâce à des rayons de petit diamètre et de faible nombre.
Lorsqu'une roue éclate lors d'un effort intense, comme un sprint, ce n'est pas le couple qui est en cause. D'autres phénomènes chaotiques se produisent pendant un pédalage appuyé : perte de contrôle, les roues peuvent se mettre à osciller latéralement au rythme des coups de pédale, à la manière des coups de poing d'un boxeur. Ces mouvements créent des forces secondaires, latérales et verticales, susceptibles de provoquer la rupture d'une roue. Ce n'est pas la force du cycliste qui est en cause, même s'il voudrait en être convaincu.
Clarifions le rôle du rayonnage. Voici un exemple simplifié de fixation de rayons parfaitement tangentielle.
Cette géométrie tangentielle du rayonnage est due à un nombre élevé de croisements. N'oubliez pas que l'angle est influencé par le nombre de rayons. Ainsi, le croisement 2 est parfaitement tangent pour un rayonnage de 24 trous (voir image ci-dessus), le croisement 3 pour 28 trous, le croisement 4 pour 36 trous et le croisement 5 pour 48 trous.
Un nombre de croisements plus faible fonctionne également. Voici un angle de fixation des rayons beaucoup plus faible.
Un croisement de rayons plus court, créant un bras de levier plus court, équivaut à pédaler avec un plateau plus petit : la tension de la chaîne est plus élevée pour une même force de pédalage. C'est pourquoi on a l'impression d'avoir plus d'énergie en montée (et non pas d'aller plus vite !). Pour une roue, la tension plus élevée des rayons n'est pas un problème majeur, mais des variations de tension plus fréquentes contribuent à la fatigue du métal et à une contrainte accrue sur le moyeu et la jante au niveau de la fixation des rayons.
Comprenez le principe du rayonnage, mais ne vous focalisez pas trop dessus, car les roues, elles, ne le font pas. Pour bien comprendre comment les roues transmettent le couple, pensez un instant aux roues de route modernes. Il existe des millions de vélos de route équipés de roues arrière à 24 trous. La plupart d'entre eux ont un rayonnage radial côté opposé à la transmission, pour des raisons esthétiques et aérodynamiques. Un rayonnage radial ne transmet aucun couple jusqu'à un léger fléchissement. Comme le rayonnage croisé côté transmission est plus rigide en rotation, il supporte la charge de couple avant même que le côté opposé à la transmission ne puisse intervenir. Ce n'est pas qu'il refuse de le faire, c'est juste qu'il est trop lent. Le côté gauche de la roue arrière est totalement incapable de contribuer aux charges de couple. Il ne peut que supporter le poids vertical, ce dont l'ensemble de la roue est reconnaissant.
Nous avons donc des millions (peut-être) de roues arrière à seulement 12 rayons qui transmettent la puissance de pédalage. Soit 6 rayons de traction et 6 rayons de poussée, chacun pesant à peine 5 grammes. Ainsi, 57 grammes de fil métallique supportent l'effort musculaire des cyclistes les plus puissants, dont les cuisses développent des milliers de watts et des centaines de Nm pendant des années. L'efficacité de cette roue ne me surprend plus, mais elle reste stupéfiante.
Nous sommes fiers d'être fabricants, utilisateurs et passionnés de roues de vélo ! Prochain sujet : la suspension. Eh oui, la roue joue un rôle essentiel, dont le vélo, plus encore que le cycliste, dépend fortement.
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Pete
novembre 02, 2021
Should the peddling spokes be heads in or heads out. looks like more people says its about the same.