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La physique et la construction de roues

Tu connais les bases et veux en savoir plus sur les principes physiques qui agissent sur une roue ? Nous t'expliquons les mécanismes qui jouent un rôle.

Les roues sont l'une des inventions les plus impressionnantes sur un vélo : avec un poids relativement faible, elles peuvent résister à des forces immenses et sont déterminantes pour les caractéristiques de conduite de votre vélo. Si tu veux construire tes roues sur mesure et pour cela approfondir la question ou simplement comprendre un peu mieux pourquoi tes roues de système ont certaines propriétés, tu trouveras ici quelques aspects théoriques qui valent la peine d'être connus.

Selon le domaine d'utilisation, ta paire de roues a besoin de caractéristiques différentes pour résister sans problème à ce que tu lui fait subir : Ta roue de VTT doit pouvoir encaisser toutes sortes de coups.
Selon le domaine d'utilisation, ta paire de roues a besoin de caractéristiques différentes pour résister sans problème à ce que tu lui fait subir : Ta roue de VTT doit pouvoir encaisser toutes sortes de coups.

Selon le domaine d'utilisation, ta paire de roues a besoin de caractéristiques différentes pour résister sans problème à ce que tu lui fait subir : Ta roue de VTT doit pouvoir encaisser toutes sortes de coups.

Les sets de roues pour vélo de route doivent être légers, rigides et aérodynamiques.
Les sets de roues pour vélo de route doivent être légers, rigides et aérodynamiques.

Les sets de roues pour vélo de route doivent être légers, rigides et aérodynamiques.

Les roues de gravel constituent généralement un mélange astucieux des deux mondes du VTT et du vélo de route.
Les roues de gravel constituent généralement un mélange astucieux des deux mondes du VTT et du vélo de route.

Les roues de gravel constituent généralement un mélange astucieux des deux mondes du VTT et du vélo de route.

Roue à rayons de pression vs roue à rayons de tension

Il existe deux types fondamentalement différents de construction de roues de vélos. La roue à rayons de pression suit le principe des roues de chariot en bois du Moyen Âge : les forces exercées sont supportées du moyeu vers le bas jusqu'à la jante via quelques rayons épais. Ce principe est toujours appliqué pour certaines roues en carbone les plus modernes à trois, quatre ou cinq rayons, car elles sont le plus souvent utilisées dans le secteur du triathlon ou de l'aérodynamique. Mais la grande majorité des roues des vélos sont conçues comme des roues à rayons de tension, avec un nombre de rayons nettement plus important. La masse du système et tous les effets dynamiques de conduite sont littéralement fixés par le moyeu à la (partie supérieure de la) jante. Cela permet au vélo d'atteindre un équilibre optimal entre son poids et sa stabilité.

 

 

La force du rayonnage

Les rayons faits de fil fin sont beaucoup plus résistants en tension qu'en compression. La jante, elle, est plutôt résistante à la pression. Les rayons chargés en tension subissent un changement subissent un changement de longueur élastique pendant le fonctionnement. C'est pourquoi les rayons doivent être pré-tendus de manière à ce que le système puisse compenser ce court étirement. Et les rayons qui se trouvent sur la partie inférieure de la jante et ne subissent pas de force ne peuvent pas se soulever du fond de jante. Un tel desserrage et resserrage provoquerait un effet d'entaille entre la courbure du rayon et la bride du moyeu - et affaiblirait le rayon à cet endroit. Pour cette raison, la prétension doit être aussi élevée et uniforme que possible. Si tous les rayons sont soumis à une tension suffisante, les pics de sollicitation pendant les sprints, les sauts et les freinages brusques sont répartis uniformément sur tous les rayons porteurs. Il ne faut néanmoins pas non plus exagérer avec la tension des rayons. Les jantes en carbone, en particulier, sont quelque peu sensibles à cet égard et sont plus susceptibles de se casser que de se plier lors du montage. Veille donc en tous les cas à suivre les instructions du fabricant de ton moyeu, tes écrous, tes rayons et ta jante et utilise un tensiomètre, en cas de doute et surtout pour rayonner une jante en carbone. La liaison entre le rayon et la jante rend la roue théorique perpendiculaire stable en elle-même, de sorte qu'elle peut absorber les forces verticales. Mais en réalité, la roue doit également résister à des extrêmes forces de torsion et latérales. L'absorption de ces forces est possible par au moins deux brides de moyeu. Le support des deux côtés définit l'angle des disques de rayon et peut absorber des forces élevées - c'est comparable, par exemple, au mât d'un bateau à voile qui est maintenu en place pas les haubans précontraints sur les côtés.
Si un rayon devait se casser, les autres rayons sont d'abord en mesure de compenser les forces accrues. À long terme, cependant, cela peut résulter en une surcharge des rayons voisins. Il est donc recommandé de remplacer le rayon endommage aussi rapidement que possible.

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La bride du moyeu soutient les rayons sur les côtés, ce qui leur permet de résister aux torsions dans le sens horizontal.

La bride du moyeu soutient les rayons sur les côtés, ce qui leur permet de résister aux torsions dans le sens horizontal. © bc GmbH

Les forces qui agissent sur la roue

Diverses forces agissent sur la roue, qui sont contrées par différentes caractéristiques de construction. Les forces verticales agissent sur la roue lorsque tu montes sur ton vélo : Cette force est transférée au moyeu par les pattes du cadre et s'accroche donc dans les rayons de l'arc de jante supérieur. Les rayons dirigés vers le bas sont légèrement soulagés à ce moment. La force verticale est la plus accrue lorsque tu montes sur un trottoir ou atterris après un saut. Les forces latérales s'accroissent lors de virages ou lorsque tu pédales en danseuse, mais sont également présentes lors du mouvement pendulaire sinusoïdal avec lequel tu roules droit devant. Tes roues absorbent ces forces grâce à l'appui latéral des rayons. Les roues arrière en général, et les roues avant avec frein à disque sont asymétriques, car le rebord du moyeu est échancré pour faire place ou disque de frein ou à la cassette, ce qui signifie que les angles des rayons ne sont pas les mêmes des deux côtés. Comme la jante doit être centrée sur le moyeu, la tension des rayons est automatiquement plus élevée du côté de l'angle plus obtus que du côté de l'angle plus aigu. Plus ton moyeu est large et plus l'angle des rayons est aigu, plus ta roue est stable. La similitude des angles de rayons et de la prétension contribue également à la stabilité - les roues symétriques ont donc un net avantage à cet égard. Des jantes asymétriques peuvent aider à atteindre plus de stabilité, car elles déplacent leur centre vers les rayons aux angles plus aigus (c'est-à-dire vers la gauche pour les roues arrière et vers la droite pour les roues avant à disque). De cette façon, les angles de rayons sont légèrement plus similaires, et tu n'auras besoin que d'une seule longueur de rayon. Les forces de torsion ou de rotation s'appliquent sur ta roue lorsque tu accélères ou décélères. La force que tes jambes mettent dans la chaîne via le pédalier entre dans le corps du moyeu par le biais du pignon et de la roue libre et tente de faire tourner le moyeu contre la jante. Il en va de même pour les freins à disque (mais aussi pour les freins à tambour ou à rétropédalage), mais dans le sens inverse.

Radial vs. tangentiel (croisement de rayons, côté cassette et côté frein)

Avec un rayonnage radial, le rayon est la connexion la plus courte et la plus directe entre le moyeu et la jante - son prolongement imaginaire est aligné par le centre de l'axe de la roue. Les roues radiales sont donc légères et ont un bon niveau de stabilité latérale. Pour absorber les couples de torsion provoqués par l'accélération ou le freinage (frein à disque, rétropédalage), néanmoins, le rayonnage radial n'est pas d'un grand secours, car il ne peut transmettre que de faibles forces de torsion. C'est pourquoi les roues radiales conviennent le mieux comme roues non freinées (sur une remorque, par exemple) ou comme roue avant à frein sur jante. Il vaut mieux ne pas rayonner radialement le côté cassette de la roue arrière et le côté du frein à disque des roues avant et arrière. Pour pouvoir absorber plus efficacement les forces de rotation, les rayons doivent arriver plus à plat dans le moyeu. L'idéal serait à angle droit par rapport à une ligne qui coupe le centre de l'axe. La bride du moyeu agit comme un levier : plus le diamètre de la bride est grand, plus la roue est stable. Un croisement triple des rayons permet d'atteindre l'équilibre idéal entre le poids et la stabilité, ce qui est la raison pour son utilisation sur la majorité des vélos. Le nombre de croisements indique le nombre d'autres rayons qu'un rayon croise sur son chemin du moyeu à la jante. Dans le triple croisement classique, chaque rayon croise ses premier, troisième et cinquième rayons voisins. Il passe par-dessus les deux premiers rayons qu'il croise, mais par-dessous le troisième.

Roue à rayonnage radial : le rayon constitue la liaison la plus courte entre le moyeu et la jante.
Roue à rayonnage radial : le rayon constitue la liaison la plus courte entre le moyeu et la jante.

Roue à rayonnage radial : le rayon constitue la liaison la plus courte entre le moyeu et la jante.

Roue avec double croisement des rayons.
Roue avec double croisement des rayons.

Roue avec double croisement des rayons.

Roue avec le classique triple croisement des rayons : Cette forme de rayonnage offre le rapport idéal entre stabilité et poids.
Roue avec le classique triple croisement des rayons : Cette forme de rayonnage offre le rapport idéal entre stabilité et poids.

Roue avec le classique triple croisement des rayons : Cette forme de rayonnage offre le rapport idéal entre stabilité et poids.

L'influence de la pression de gonflage

Dans le passé, des jantes très souples et fines étaient utilisées pour les vélos de route. La pression de gonflage extrêmement élevée (10–12 bar) requise par les pneus très étroits (18-21 mm) qui étaient courants à l'époque, comprimait la jante et réduisait ainsi la prétension des rayons. Au fur et à mesure que la largeur des pneus a augmenté, ce problème est devenu moins pertinent. Cela est dû d'un côté aux formes de jantes plus modernes et aux matériaux de meilleure qualité, et de l'autre aux pneus plus larges (23–25 mm) avec leur pression de gonflage réduite en conséquence (6-9 bar). Pour les vélos tout-terrain, ce phénomène n'a jamais joué un rôle important par le passé. Mais depuis que la technologie tubeless s'est établie, les pneus sont ajustés sur la jante de manière bien plus étroite. Le meilleur ajustement des formes des deux composants, en raison de tolérances de fabrication plus faibles, améliore l'étanchéité du système. Mais une fois que le pneu est entièrement logé dans le rebord de la jante, il comprime cette dernière. Le résultat est une réduction de la prétension des rayons - c'est pourquoi il faut prétendre les rayons d'une roue tubeless avec plus de force. Les spécifications du fabricant concernant le poids de système de la roue et la plage de pression de gonflage correspondante doivent donc être prises en compte lors du choix de la jante et des pneus.

Plus rigide = mieux ? Considérations pour une flexibilité ciblée

Lors de la construction de roues sur mesure pour ton vélo tout-terrain, tu peux influencer le niveau de rigidité/élasticité de la roue via différents facteurs. Différents philosophies existent à ce sujet, qui se retrouvent également dans les roues de système. Un exemple : L'approche provenant du motocross et transférée aux E-VTT modernes stipule que la roue arrière doit être aussi rigide et large que possible, mais peut aussi être plus petite car elle transmet la force motrice, est exposée à des forces latérales plus élevées et doit être plus agile. La roue avant, en revanche, peut être un peu plus souple pour garantir une traction maximale. Elle est pour cela un peu plus étroite et plus grande. De nombreux sets de roues Mullet, c'est-à-dire 29 pouces à l'avant et 27,5 pouces à l'arrière, tiennent compte de cette considération, comme par exemple les sets de roues de système de la famille Crankbrothers-Synthesis. Le point de vue opposé plaide en faveur de roues avant plus rigides pour une précision de direction maximale et de roues arrière un peu plus souples qui suivent mieux le terrain. Un exemple extrême de cette philosophie est la première paire de roues Crossmax Enduro de Mavic, dotée de 24 rayons à l'avant et seulement 20 à l'arrière, développée avec Fabien Barel. Zipp mise le tout sur la souplesse et la flexibilité ciblée pour maximiser la traction avec sa série 3Zero-Moto, qui se caractérise par des jantes dites à simple paroi au lieu des habituelles jantes creuses. Elles permettent à la roue de se tordre spécifiquement autour du siège des écrous, augmentant ainsi la surface de contact du pneu avec le sol. Zipp appelle ce principe ankle compliance ("souplesse de la cheville") en référence au modèle biomécanique qu'est la cheville humaine.
Tu es le seul à pouvoir décider quelle est la meilleure approche pour toi et ton style de conduite. Et c'est aussi la beauté d'une roue personnalisée : tu décides, dans le cadre des possibilités physiques, quels critères sont importants pour toi et tu peux ainsi construire la meilleure roue pour toi. Tu trouveras de nombreux conseils à ce sujet dans nos autres textes thématiques sur la construction de roues :

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