[Note : il s'agit du numéro 16 d'une série de 20]
Pour concevoir de meilleures roues, nous devons constamment chercher à mieux comprendre les systèmes pneumatiques dont elles dépendent. Pour un observateur non averti, et cela inclut la plupart des cyclistes, la différence entre les roues à boyaux et les roues à pneus se résume à trois points :
(1) Le boyau est collé à la jante par un adhésif tandis que le pneu à tringle adhère avec des anneaux continus plus petits que le diamètre total de la jante mais qui peuvent être glissés avant la pression d'air.
(2) La chambre à air du boyau (ou équivalent) est cousue ou autrement capturée dans le pneu, de sorte que le cycliste ne peut pas y accéder alors que la chambre à air d'un pneu à tringle est une unité entièrement séparée qui est facilement changée.
(3) Une jante tubulaire pèse environ 100 g de moins qu'une jante à pneu de forme et de résistance équivalentes.
Bien que ces affirmations soient vraies, elles ne concernent que l'expérience du cycliste. La physique sous-jacente est très différente et les concepteurs et fabricants de roues doivent en tenir compte.
Les pneumatiques ont été inventés et brevetés pour la première fois par l'Écossais Robert Thomson en 1846, à l'âge de 23 ans. Un homme remarquable ! Un thème récurrent dans l'histoire des idées est la découverte précoce de nouveaux principes par des individus visionnaires, mais restés largement méconnus et sans reconnaissance de leur vivant, précédant l'adoption de leurs idées d'une génération, voire plus. Thomson était de ceux-là.
L'invention du pneu a sans aucun doute marqué un tournant décisif dans l'histoire de la roue. Soudain, cette forme si pratique, à la base de tous les moyens de transport terrestres, a connu un essor considérable. Plusieurs spécialistes (J.E. Gordon, Structures ) affirment que le pneu est une invention plus importante que le moteur à combustion interne. John Dunlop, en fin de compte, fut celui qui sut tirer profit de cette idée, en appliquant le principe du pneu aux bicyclettes 46 ans après Thomson.
Dans un pneu tubulaire, la pression de l'air est contenue dans une structure fermée : le tube continu à 360 degrés que représente un pneu cousu. Lorsqu'on gonfle un tubulaire, il tend à se dilater, à pivoter et à prendre une forme plus petite. On a tous déjà constaté ce phénomène en appliquant une forte pression sur un tubulaire non monté sur une jante. Ce rétrécissement de la paroi permet au pneu d'épouser le diamètre de la jante. De petites irrégularités sont sans importance. C'est comme si le pneu se moulait à la jante. Les tolérances de fabrication et les normes de diamètre de l'industrie du pneu et de la jante sont très larges pour ce système. Difficile de se tromper.
Il faut toutefois savoir que la force de compression exercée par le pneu est en réalité assez faible. Le pneu tubulaire se déforme pour épouser la jante, mais sans que cela n'entraîne une déformation structurelle significative. Par exemple, à une pression de 7 bars (100 psi), une roue tubulaire ne perd aucune tension au niveau des rayons. La jante supporte l'intégralité de la force de compression exercée par le pneu.
Du point de vue de la jante, le pneu à tringle rigide est une toute autre affaire :
(1) Forcer le bord à s'élargir.
Le pneu à tringle se déforme latéralement pour rester en contact avec la route. Cette force est générée par la pression de l'air, qui peut atteindre 100 psi pour un vélo. Dans ce cas, la pression latérale est considérable. La force exercée par le talon du pneu est proportionnelle à la surface de sa carcasse.
Tout comme un ballon s'élève grâce à la pression interne exercée sur sa forme, plus c'est gros, mieux c'est. Les pneus plus larges sont soumis à une pression plus élevée (en livres par pouce carré), ce qui engendre des forces latérales plus importantes sur la jante. Par exemple, si l'on voulait gonfler un pneu de VTT de 2,3 pouces à 100 psi, les forces exercées sur la jante seraient excessives. Aucune jante de vélo n'a été conçue pour résister à une telle force. C'est donc un monde idéal où les hautes pressions sont privilégiées par ceux qui utilisent des pneus à profil bas.
À 7 bars (100 psi), les jantes à pneus se déforment suffisamment pour que leurs pistes de freinage ne soient plus parallèles. Vous pouvez le constater vous-même avec un pied à coulisse : de nombreuses jantes s'écartent de plusieurs degrés. Il s'agit d'une déformation élastique ; la jante reprend donc sa forme initiale lorsque le pneu est dégonflé. Mais sous pression, les pistes de freinage s'inclinent et le fond de la jante se déforme. Cette déformation peut entraîner une réduction de la tension des rayons de 20 % en raison de la déformation élastique de la section transversale de la jante.
(2) Pression vers l'intérieur par le tube gonflé.
Un pneu à tringle met la pression de la chambre à air directement en contact avec la jante. Une jante de pneu de route standard mesure 12,7 mm de large et 195,6 cm de long. Sa surface est de 234,8 cm². Si la pression est de 6,9 bars (100 psi), la force totale exercée sur la jante est de 2 tonnes (38,5 x 100 = 1748 kg). Cette force tend à rétrécir la jante et est suffisamment importante pour déformer élastiquement de nombreuses jantes métalliques de plus de 2,5 mm de circonférence. Cela peut paraître insignifiant, mais l'effet sur la tension des rayons est important et mesurable. 2,5 mm de circonférence correspondent à 0,81 mm de diamètre, soit 0,41 mm de rayon. Cela représente presque un tour complet d'écrou de rayon. Imaginez le desserrage qui en résulte.
(3) Force de constriction du talon du pneu.
Le développement récent des pneus tubeless a conduit à des expérimentations sur la tolérance d'ajustement pneu-jante. Auparavant, les jantes pour 700C, par exemple, offraient un diamètre d'assise de 622 mm. Tous les pneus destinés à ce type de montage avaient un diamètre d'au moins 623 mm afin d'assurer un bon contact sans interférence.
Les pneus tubeless à tringle rigide sont conçus pour un montage serré afin d'assurer une meilleure étanchéité. J'ai mesuré des pneus tubeless qui, sous une charge de 180 kg (400 lb) sur la tringle, ont un diamètre de 621 mm. Le serrage de ce montage (pneu de 621 mm sur jante de 622 mm) induit un écart de circonférence de 3 mm. Cela peut paraître insignifiant, mais cela peut représenter une charge de plusieurs milliers de livres, surtout si le matériau de la tringle n'est pas élastique. Certains pneus tubeless à tringle rigide utilisent des tringles en carbone plutôt qu'en Kevlar, leur élasticité est donc pratiquement nulle. J'ai mesuré la force de constriction de la tringle d'un pneu tubeless non gonflé, qui est supérieure aux forces générées par un gonflage à 7 bars (100 psi). L'association d'une tringle serrée et d'une charge de gonflage normale est une nouveauté dans le domaine des pneumatiques pour vélos.
(4) La combinaison des forces.
On a constaté que certaines jantes à pneu légères perdent 40 à 50 % de la tension de leurs rayons lorsqu'un pneu tubeless est monté. Cette combinaison extrême, un pneu à pneu très serré et la pression de l'air, représente un problème que les jantes tubulaires n'ont jamais à affronter. Un pneu tubulaire, grâce à sa structure fermée qui retient la pression de l'air, ne subit aucune des contraintes d'une jante à pneu. Le fonctionnement d'une jante à pneu est totalement différent de celui d'une jante tubulaire. Et ce, avant même que le cycliste ne commence à pédaler.
L'idée des pneus à tringle est séduisante, mais ce système met la jante à rude épreuve. Un surpoids de 25 à 30 % est nécessaire pour supporter la contrainte supplémentaire. Tout cela pour la facilité de montage et de démontage ? Pour pouvoir réparer une crevaison en cours de route ? N'oubliez pas que la pression élevée des petits pneus de route est à l'origine de ces problèmes. Les VTT, BMX, CCX et autres vélos utilisent des pneus à basse pression, et les jantes à tringle sont moins sollicitées.
Vous l'aurez compris, les pneus à tringle ont la cote dans tous les secteurs pour les motos tout-terrain et de loisirs, les brouettes, les diables et les fauteuils roulants. Les pneus tubeless, quant à eux, sont omniprésents sur les motos, les voitures et les camions. Leurs moteurs sont puissants et leurs roues peuvent être surdimensionnées pour résister aux contraintes des pneus tubeless.
Je me demande parfois si les vélos de route ne seraient pas mieux adaptés aux boyaux. Ou peut-être qu'un système futur permettra d'obtenir les mêmes performances qu'avec des boyaux, sans colle ni risque de crevaison ? Ce serait une avancée intéressante.
Quoi qu'il en soit, vous en savez désormais plus sur les forces cachées qui s'exercent sur vos jantes, outre la tension des rayons. Concevoir et fabriquer des roues est un défi, mais bien plus intéressant lorsqu'on comprend les principes physiques sous-jacents.
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Overtensioner
novembre 02, 2021
My question, that doesnt directly answer the problem of high pressure clinchers but is an argument for more tubular, is how well would a tubular with sealant work? If that system develops, people could have less stranded situations, mechanics could add more glue since tires would be changed less often, so even less problems.
Another note about clinchers and sealant, some people swear by putting sealant in high pressure clincher tubes, I know that combo is horrible in low pressure clinchers where they rarely seal (unlike with tubeless systems with sealant), but I havent tried it on HPC.