Pourquoi la rigidité d'un cadre est-elle si importante?

Lorsqu'un fabricant lance un nouveau modèle de vélo, il répète souvent qu'il a amélioré la rigidité, le poids, le confort ou l'aérodynamisme. Parmi ces paramètres, c'est le premier qui est le plus mis en avant, ce qui est essentiel lorsqu'il s'agit de rendre un vélo le plus efficace possible. Mais c'est un paramètre qui cache de nombreuses nuances.

La rigidité ou l'art de faire en sorte que le vélo se comporte exactement comme on le souhaite

Lorsque les fabricants présentent leurs arguments pour vendre les qualités de leurs nouveaux vélos, la référence à l'augmentation de la rigidité est toujours présente, un paramètre que beaucoup présentent comme la panacée d'un bon vélo, mais dont peu comprennent les implications. Cependant, comme pour le poids du vélo, il est trop souvent surestimé alors que les chiffres élevés de rigidité n'améliorent pas toujours le vélo.

Qu'est-ce que la rigidité ?

Avant de commencer à analyser les implications de ce paramètre, il convient tout d'abord de préciser ce qu'est la rigidité. Selon la définition couramment utilisée en ingénierie, la rigidité est la capacité d'un élément structurel, dans le cas du vélo le cadre, à résister à la déformation causée par l'application d'une force.

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C'est pourquoi, lorsque l'on parle de rigidité, la plupart des gens pensent immédiatement à la force que l'on exerce sur les pédales et à la déformation latérale du cadre à chaque coup de pédale.

Cependant, il ne s'agit que d'une des forces qui affectent le cadre et, souvent, d'autres forces ne sont pas prises en compte, comme l'effet de la force centrifuge dans les virages ou la réaction à l'impact avec les nids-de-poule et autres irrégularités que l'on trouve sur la route.

Tous ces aspects doivent être pris en compte par les ingénieurs qui développent les vélos afin de leur donner non seulement de la rigidité mais aussi une capacité d'absorption correcte tout en essayant de rendre l'ensemble le plus léger possible.

Par conséquent, lorsque l'on parle de la rigidité d'un cadre, il faut l'évaluer dans différentes zones du cadre où l'une ou l'autre sera plus intéressante.

En principe, il ne devrait pas être difficile d'obtenir la plus grande rigidité possible. Il suffit d'ajouter du matériau, surtout si ce matériau a une capacité d'allongement plus faible, pour obtenir une structure plus robuste. Outre le matériau, la section transversale des tubes est également importante. Plus la section est grande, plus la rigidité est importante. Le problème est que cela entraîne une augmentation indésirable du poids.

La disposition des fibres de carbone est essentielle à cet égard. Actuellement, on utilise des fibres unidirectionnelles, qui se caractérisent par une grande rigidité dans la direction où les fibres sont disposées, mais très peu dans la direction perpendiculaire aux fibres. Les ingénieurs ont donc la possibilité d'obtenir le comportement souhaité dans chaque zone du cadre en fonction de la position de chaque feuille de fibres.

Un énorme travail de calcul qui, heureusement, est aujourd'hui largement réalisé sur de puissants ordinateurs à l'aide de logiciels d'analyse par éléments finis (FEA), qui permettent de générer des centaines de cadres virtuels et de simuler la réponse qu'ils auraient à l'application de différentes forces.

L'objectif est donc de parvenir à un équilibre et de n'ajouter de la rigidité que là où c'est intéressant. Pour ce faire, nous définissons plusieurs types de rigidité dans un cadre de vélo.

Sans être perturbé par le pédalage

Tout d'abord, nous avons celle qui est généralement la plus prise en compte, la rigidité latérale, que les fabricants mesurent dans leurs laboratoires en appliquant au pédalier une charge qui simule la force exercée par le pédalage. Cette rigidité mesure la déformation de cette zone chaque fois que nos jambes appuient sur les manivelles et il est intéressant qu'elle soit élevée car, en minimisant le déplacement latéral, nous faisons en sorte que le vecteur résultant transmette la plus grande partie de cette force vers la roue arrière.

En outre, le triangle arrière doit également être rigide afin de ne pas se déformer lorsqu'il reçoit les forces qui lui parviennent par l'intermédiaire de la chaîne.

C'est un paramètre que ceux d'entre nous qui testent les vélos essaient d'évaluer en fonction de la facilité avec laquelle le vélo accélère soudainement, une qualité particulièrement appréciée par les grimpeurs et les sprinters qui ont besoin que le vélo tienne le coup lorsqu'ils lancent une attaque ou font face à une arrivée en masse. Cependant, à un rythme de croisière, avec des chiffres de puissance plus modestes comme ceux générés par les mortels, la plupart des cadres actuels ont plus que suffisamment de valeur pour un pédalage efficace.

Pour y parvenir, les fabricants ont opté pour des pédaliers plus larges et des manivelles avec des axes de 30 mm. Les bases sont aussi généralement surdimensionnées, surtout dans leur partie latérale, tout en tenant compte du fait que le passage de roue n'est pas affecté. Tout cela est complété par des conceptions asymétriques de la zone afin d'égaliser la réponse aux différentes forces générées du côté de l'entraînement et du côté opposé, et par une disposition des couches de fibre de carbone qui maximise ces qualités.

Précision de la conduite

La rigidité torsionnelle est encore plus importante et moins prise en compte. Elle définit le degré de torsion du cadre sous l'effet de différentes forces. Une torsion qui affecte l'alignement des deux roues et qui a donc un impact évident sur la maniabilité du vélo, en particulier dans les virages.

Dans les virages pris à grande vitesse, la moto exerce une force centripète vers l'intérieur de la courbe, dont la résultante est une force centrifuge que nous percevons comme voulant nous pousser vers l'extérieur de la courbe. Cette force n'est pas la même sur chaque roue en raison des différences structurelles entre la fourche et le triangle arrière, ce qui entraîne un désalignement des roues le long de la ligne.

Sur le vélo, nous le percevons sous la forme d'imprécisions. Lorsque vous roulez à vélo et que vous devez constamment corriger votre trajectoire pour maintenir la ligne choisie, le vélo n'est pas aussi rigide que vous le souhaiteriez à cet égard. Au contraire, lorsqu'un vélo excelle dans ce paramètre, il est très facile non seulement de dessiner la courbe, où d'un seul geste vous inclinez le vélo progressivement jusqu'à l'apex pour récupérer la verticalité après celui-ci avec la même progressivité, mais aussi dans les changements de direction lors de l'enchaînement des courbes, résultant beaucoup plus rapide et plus facile ce geste sans la paresse des modèles moins solides.

Pour que le vélo ne se torde pas, les fabricants ont spécialement renforcé les pieds de fourche et ont opté pour des tubes de direction surdimensionnés, en fait les roulements sont passés du traditionnel 1 pouce aux actuels roulements de 1,5 pouce que l'on peut voir sur le palier inférieur. C'est aussi la raison pour laquelle le tube diagonal des vélos a la section la plus généreuse, car il devient la poutre principale qui soutient la structure du cadre.

Mais il y a un autre aspect à prendre en compte. La rigidité latérale et la rigidité en torsion doivent être équilibrées l'une par rapport à l'autre pour que le cadre fonctionne de manière optimale sans décompensation. En revanche, un excès de rigidité latérale au niveau des essieux peut rendre le vélo difficile à conduire lorsque l'asphalte n'est pas parfait, car il rebondit à chaque impact. Comme vous pouvez le constater, il y a de nombreux paramètres à prendre en compte.

Rigidité verticale

Si, dans les points précédents, l'objectif était d'obtenir une rigidité maximale, il s'avère que, dans le plan vertical, l'objectif est précisément l'inverse : une rigidité suffisante pour ne pas provoquer d'effet de rebond mais, en même temps, une capacité de flexion suffisante pour atténuer les irrégularités du terrain.

Il s'agit d'un paramètre extrêmement difficile à ajuster car il est influencé par le poids du cycliste et, bien entendu, les vélos sont construits pour des cyclistes différents. Bien entendu, des études statistiques sur la physionomie des cyclistes permettent d'estimer à quoi ressemble le cycliste moyen utilisant chacune des tailles, ce qui permet à l'ingénieur d'ajuster ce paramètre avec plus de précision.

En tout cas, ici, comme pour la rigidité latérale, la section des tubes ainsi que la disposition des fibres ont une influence évidente, en cherchant à atteindre un équilibre parfait entre la capacité d'absorption du vélo sans affecter la rigidité latérale.

C'est un aspect qui a traditionnellement affecté les vélos aérodynamiques, car les tubes profilés eux-mêmes offrent des sections allongées dans le sens de la marche qui augmentent la rigidité verticale, et aplaties latéralement, ce qui nuit à la rigidité latérale, exactement le contraire de ce que l'on recherche.

La solution à ce dilemme est venue de l'utilisation de tubes à profil tronqué et d'une nette augmentation des sections latérales des tubes, ce qui a également des implications non seulement sur le poids mais aussi sur les performances aérodynamiques.

Que se passe-t-il si un vélo est trop rigide ou trop souple ?

Comme nous l'avons dit au début, la fabrication d'un vélo extrêmement rigide est une tâche simple avec les matériaux d'aujourd'hui, et si seulement cela avait de l'importance. Cependant, peu d'entre nous tiendraient plus d'une heure sur un tel vélo, non seulement à cause des irrégularités du terrain qui nous écraseraient rapidement les bras et le dos, mais aussi à cause de la vitesse excessive de réaction au moindre geste qui nous oblige à maintenir une tension constante.

En effet, nous avons parfois rencontré des vélos dotés de ces caractéristiques qui, bien qu'ils nous émerveillent lors des premiers coups de pédale, surtout à l'accélération, se révèlent vite peu pratiques pour le monde réel, lorsque tout fait mal au fil des kilomètres ou que la descente d'un col devient un combat permanent dans chaque virage qui n'apporte rien de rassurant. Qui ne se souvient pas des vélos de compétition en aluminium utilisés au début du siècle ? De vraies poutres avec des roues.

A l'autre extrême, nous avons aussi rencontré des vélos que nous avons fini par qualifier de chewing-gum. Des vélos sur lesquels il faut constamment faire des efforts pour maintenir une vitesse de croisière élevée et où l'on a l'impression que la moitié des coups de pédale se perdent dans le vide, sans parler de la paresse dont ils font preuve lorsque l'on essaie d'accélérer.

Ce type de vélo évoque également le souvenir de la lutte constante avec la direction pour maintenir la ligne choisie, ce que savent certainement tous ceux qui possèdent un vélo classique en acier de qualité moyenne - il existe de véritables œuvres d'art réalisées dans ce matériau et qui se comportent merveilleusement bien.

On peut en déduire que la rigidité est la bienvenue dans la plupart des cas, mais toujours dans la bonne mesure dans chaque zone du cadre et en recherchant l'équilibre parfait entre les paramètres. Dans l'ensemble, la rigidité générale des cadres a clairement augmenté au fil des ans et il suffit de donner quelques coups de pédale sur un modèle de dernière génération et autant sur un modèle d'il y a, disons, dix ans, pour percevoir clairement comment l'amélioration des connaissances, des outils de conception et de la qualité des matériaux a influé sur le comportement des vélos.