Grand test de roues 2008 – Partie 3 – Rigidité

Tests de rigidité

Photo by Alessandro Trovati

Avec pas mal de retard, nous publions enfin la troisième partie du grand test de roues 2008: celle qui traite donc de leurs rigidités, notions aussi floues que compliquées.
La rigidité des roues représentent le niveau de déformation qu’elle subit face aux contraintes infligées par le poids du coureur et son effort. Plus importante est cette rigidité, meilleure seront les performances. Cependant faut-il absolument une rigidité élevée tout le temps? Que peut-il se passer si la rigidité est trop faible? A partir de quel niveau de déformation ressent-on le manque de rigidité?
Nous tâcherons de répondre à toutes ces questions dans les lignes qui suivent.

Les phénomènes de déformation – Aperçu

Les contraintes que subissent les roues sont nombreuses. Dans un premier temps, les roues encaissent le poids du coureur dès qu’il monte sur le vélo. Dans un second temps, elles doivent faire face à des charges latérales et dès qu’il se met en danseuse. Ensuite, la roue arrière transfère le couple moteur, et pour finir, elle doit résister aux assaults des nids de poule et autres imperfections de la route. Face à toutes ces surcharges temporaires ou cycliques, les éléments tournants se déforment latéralement et verticalement dans des proportions parfois innatendues.

Rigidité Frontale

1a) La rigidité frontale – Aperçu

Test de rigidité frontale @Mavic par Thibaut Montagnoni

La rigidité verticale des roues est extrêmement élevée et il n’est pas spécialement intéressant d’approfondir le sujet comme nous le ferons pour la rigidité latérale. Les valeurs de déformations verticale atteintes sont hors de portée du commun des mortels. A titre d’information, une roue standard se situe grosso modo entre 1500 et 2500N/mm: il faut entre 150 et 250kg pour déformer la roue verticalement d’un petit millimètre… avouez que c’est trop important pour parler de confort. Nous laisserons donc ces valeurs au placard en attendant que les technologies aient évolué pour réellement parler de « confort » relatif concernant des roues. La structure actuelle des roues (jante, moyeux liés par des rayons sous tension), ne permet pas spécialement de confort. Seules quelques roues dont la structure est très spécifique, permettent éventuellement d’atténuer les vibrations. Citons quelques roues au passage: les ADA réalisées par Cees Beers qui disposent de rayons entièrement en Kevlar, les Spinergy Stealth PBO dont les rayons en fibres de Zylon pourraient apporter un poil de souplesse (quoi que la jante haute et la tension des rayons semblent aller à l’encontre de ceci), et les Lew Racing Pro VT-1 qui ne disposent d’aucune tension dans leurs rayons et qui s’écrasent aisément (rigidité verticale de 800N/mm soit 1mm de déformation pour 80kg).

Bien que certaines roues semblent, a priori, plus dociles que d’autres, leur confort sera lié en grande partie au pneumatique:
- boyau ou pneu
- la pression
- la section
- la souplesse de la carcasse
- la souplesse de la chambre à air

Ainsi, les boyaux haut de gamme, faits main, disposent généralement d’un agrèment bien meilleur que les pneus. Leur carcasse est tendre et légère grâce aux matériaux employés, comme le coton ou la soie. Elle est associée dans la majorité des cas à une chambre à air en latex plus souple et plus résistante que celle en butyl. De surcroît, leur structure fermée favorise les sensations et la performance. Nous pouvons notamment citer Veloflex, FMB et Dugast qui fabriquent toujours les fameux boyaux très haut de gamme, et Vittoria dans une moindre mesure. De son côté, Continental favorise la résistance à la crevaison au détriment de la souplesse et de la tendresse de la carcasse, et donc aussi de l’agrément et du ressenti.

Revenons au sujet du principal: lors du test de rigidité frontale, la roue est fixée par son axe puis écrasée. La force est pilotée par un logiciel qui enregistre par la même occasion la
déformation.
Les roues ne se déforment que très peu à cause de plusieurs paramètres qui influent sur la déformation verticale. La hauteur de la jante et sa rigidité frontale jouent un rôle très
important. Les jantes basses se déforment logiquement plus que celles à jantes hautes car elles offrent moins de rigidité. Les rayons ont aussi un rôle primordial, leur nombre, leur
croisement, leur tension et leur rigidité (matériaux, section) font varier la déformation verticale. Un rayon de faible section avec peu de tension sera plus docile qu’un rayon rond tendu comme une arbalète. En ce qui concerne le moyeu, il a de toute évidence son mot à dire dans l’histoire, mais son influence sera moindre que les deux premiers éléments cités.
Pour terminer avec l’influence des composants de la roue sur la rigidité frontale, notons que les roues arrières sont généralement moins « dures » à cause de la différence de parapluie entre le côté roue libre, et le côté opposé.

1b) La rigidité frontale – Résumé

Pour résumer, une roue arrière à jante plate, dont les rayons sont peu tendus, sera plus déformable verticalement qu’une roue avant à jante haute et rayons tendus fortement. La déformation passe approximativement de 1mm pour 140kg (Lightweight arrière, Sonic 50mm arrière, Speedcomposites arrière, etc), à 1mm pour 200kg (Mavic CCU avant, Corima Aéro avant, etc) ou 260kg (Zipp 404 avant, Lightweight avant).

Des cas « hors du commun » viennent se glisser dans ce tableau. Les exceptions qui confirment la règle en quelque sorte.
- La première exception concerne les roues Shimano 7850 C24TU et C50TU, mais aussi les Mavic Cosmic Carbone Ultimate qui offrent des rigidités frontales plus importantes à l’arrière qu’à l’avant. Les tensions élevées sont a priori responsables de ce phénomène: les rigidités frontales passent de 2850N/mm (avant) à 2940N/mm (arrière) pour la C50, et 1790N/mm (avant) à 1840N/mm (arrière) pour la C24. La CCU de son côté s’en sort avec 1910N/mm à l’avant et 1970N/mm à l’arrière.
- Le second écart à cette règle implique les Lew racing Pro VT-1. Elles offrent un niveau de déformation largement au dessus de la normale: elles se déforment de 1mm pour 75 à 80kg de charge verticale malgré la jante de 46mm de profil. Les rayons sont collés dans le moyeu et dans la jante mais n’ont aucune tension. Lors des charges verticales, la roue se déforme pour absorber et les rayons flambent, ce qui explique en partie la limite de poids, mais aussi les sensations agréables et inhabituelles au guidon. Voyez la déformation ci dessous:

Rigidité Latérale

2a) La rigidité latérale – Explications

La rigidité latérale représente le pavé le plus conséquent du grand test de roues. C’est aussi le plus compliqué à expliquer et à assimiler, ce qui explique en partie notre retard pour publier cette partie.
La rigidité latérale est un paramètre aussi important que complexe à traduire dans la performance des roues. A moins de pouvoir s’équiper de capteurs de puissance et de réaliser de longues séries de tests, il est difficile de définir le gain apporté par une roue plus rigide latéralement qu’une autre.

Jean-Pierre Mercat, ingénieur Mavic, nous fait part d’une partie de leurs travaux:   » Nous avons fait des essais instrumentés avec SRM et fréquence cardiaque pour étudier la puissance développée en côte avec quatre configuration de raideur de roues (de 20N/mm à 80N/mm), toutes visuellement identiques.
Bilan, sur 300 passages, aucune diffèrence de performance sur des puissances modérées: de 180W à 350W. En revanche, sur des essais à bloc en côte avec des coureurs Elite FFC, les conclusions ont été totalement diffèrentes. La puissance maximale atteinte est nettement plus basse (-150W à 1000W) avec le matériel souple à 20N/mm, mais pas de diffèrence entre 60 et 80N/mm. En ce qui concerne le rythme cardiaque maximal, il est plus bas avec le matériel souple qu’avec le matériel raide. Le potentiel de puissance est en quelque sorte absorbé par la souplesse et l’effort n’arrive pas à monter. »

La messe est donc dîte, la rigidité latérale de la roue est nécessaire pour les phases d’accélérations violentes et les sprints, situations régulièrement rencontrées en course. A titre d’information, nous avonc fait divers essais de puissance en course (FFC 1/2 et 3) à l’aide d’un Powertap, moyeu qui enregistre la puissance avec une marge d’erreur de 1,5%. Il s’avère que les puissances moyennes rencontrées en échappée sur une course traditionelle (les puissances moyennes sur les critérium sont souvent plus élevées), sont régulièrement proches de 300W la première heure de course, puis s’effondrent pour terminer à 270W, après deux heures et demi. Du côté des puissances en relance, nous atteignons fréquemment 500 à 700W sur quelques secondes, alors que les sprints sont régulièrement lancés aux alentours de 1000/1300W. L’importance de roues rigides latéralement prend donc tout son sens ici.

2b) La rigidité latérale – Protocole

En ce qui concerne le test de rigidité latérale en question, il consiste à charger latéralement la roue, sur sa jante, du côté le plus faible, soit côté roue libre, et à enregistrer la
déformation à cet endroit, et à l’opposé (entre les patins de freins). En fonction de la charge et de la déformation, la rigidité en N/mm peut être calculée. La charge utilisée sera
représentative du poids du coureur: quand le cycliste se met en danseuse, il penche son vélo et son poids pousse donc la jante latéralement (voir croquis ci-dessus).
De plus, quand le coureur pousse les pédales, le couple transmit au travers des rayons déforme la roue à cause de l’asymétrie des roues arrières: même assis sur la selle, les roues arrière « tanguent » entre les patins lorsque l’on pousse fortement. Il faut donc que la roue arrière soit aussi rigide que possible pour ne pas se dérober sous l’effort.

Lors d’un test de rigidité latérale, une même roue peut réagir de plusieurs manières diffèrentes selon la charge appliquée sur la jante et il faut bien reconnaître que trop peu de magazines « spécialisés » évoquent ce phénomène et le prennent en compte dans leurs interprétations.
Dans un premier temps, la charge tire la jante vers le bas, donc les rayons d’un côté se tendent et ceux de l’autre se détendent. Quand la charge est assez faible, la courbe de rigidité de la roue reste plus ou moins droite. En revanche, quand la charge est élevée (trop?), les rayons côté opposé roue libre se détendent totalement et seuls les rayons côté roue libre maintiennent la roue.

Voyez la courbe de déformation ci dessous: la courbe est pentue (roue rigide) tant que la charge est suffisamment faible, les rayons côté opposé roue libre restent tendus (avant le point 4). Dès que la charge dépasse le point de détente des rayons, la courbe est bien moins raide et la raideur de la roue à cette charge (courbe en trait discontinu) est presque dénuée de sens.
Il est donc nécessaire de spécifier quelles roues « s’effondrent » sous les charges élevées, donc quelles roues ne sont pas aptes à être utilisées par les plus costauds.

La courbe ci-dessus met en évidence le phénomène, dans la réalité, la transition est beaucoup plus « fluide », sauf cas spéciaux.

En l’occurence, dans ce cas précis, la roue est très rigide sur des charges assez conséquentes. En revanche, elle s’affaisse peu avant les 20kg qui peuvent être assimilés à un coureur très costaud de plus de 90kg, ou à un coureur plus léger, disons 80 à 85kg, qui penche le vélo fortement en se mettant en danseuse.
D’où l’intêret de spécifier la charge avec laquelle la rigidité latérale de la roue est mise en évidence. Dans ce test, la charge est de 20kg.

Avant de vous présenter les résultats bruts sur quelques dizaines de paires de roues, précisons plusieurs points: la rigidité latérale de la roue avant est plus élevée, et moins importante que celle des roues arrières pour deux raisons. Les roues avant sont toutes globalement très rigides, elles s’affaissent peu (ou pas) car elles ont l’avantage d’être parfaitement symétriques et de surcroît, elles n’ont pas à transfèrer le couple moteur de la roue arrière.

2c) La rigidité latérale – Qui fait quoi?


La tenue latérale d’une roue conventionelle est dépendante de divers paramètres.
Dans un premier temps, la jante va conditionner la rigidité de la roue par sa hauteur, sa raideur en torsion, et par la longueur des rayons.
Ensuite, les rayons qui permettent à la roue de tenir, influent sur sa tenue aux charges latérales par leur tension et leur section transversale.
Pour finir avec le plus important, le parapluie de la roue représenté par la distance entre les flasques des moyeux, a d’après Mavic, la plus grande influence sur la raideur latérale de la roue.

Ainsi, pour augmenter la rigidité d’une roue, il faut:
- utiliser une jante rigide et haute: rayons plus courts
- utiliser des rayons de diamètre plus conséquent
- augmenter le parapluie en utilisant un moyeu aux flasques aussi éloignés que possible
- tendre les rayons fortement pour retarder le moment où la roue s’affaisse sous la charge

Cependant ces changements sont aussi accompagnés d’une hausse considérable de poids et il convient de ne sélectionner que les paramètres les plus intéressants: jante haute (aérodynamisme en plus), et moyeux à flasques très espacés.

En plus de la rigidité latérale de la roue, le déplacement de la jante à l’opposé de l’endroit où est appliqué la jante est important. Une forte déviation de la jante entre les patins sera
synonyme de ralentissements lors des phases d’accélération car la jante viendra lécher les patins…
Les paramètres qui influent sur ce déplacement ne sont pas parfaitement définis mais en épluchant les déviations à 180° d’où est appliquée la charge sur les roues, au moins deux points semblent important:
- la hauteur de la jante: plus la jante est basse, plus faible seront les déviations entre les patins, mais plus faible sera la rigidité de la roue
- le rayonnage: plus le nombre de rayons est élevé, plus faibles sont ces déviations entre les patins, et plus élevée est la rigidité de la roue

Ainsi une roue à jante basse et fort rayonnage peut avoir des déviations entre les patins jusqu’à deux fois plus faibles que la même construction à jantes hautes et faible rayonnage!
C’est notamment le cas des Lightweight Standard G3/Ventoux, ainsi que des Campagnolo Bora/Hyperon, ou encore des Shimano 7850 C24TU/C50TU, Speedcomposites, Easton EC90 SLX, et bien d’autres.
La roue la plus rigide est donc celle à jante haute, mais si vous vous fiez aux déformations visibles lors des accélérations, entre les patins de freins, c’est l’inverse…!
Il est donc intéressant d’optimiser les roues en utilisant une jante haute et rigide fortement rayonnée (au moins 24) afin de bénéficier de la rigidité maximale, et de la plus petite
déformation entre les patins. Cependant ceci se réalise au détriment du poids et de l’aérodynamisme, donc à ne privilégier que sur les roues arrières uniquement.

Les roues les plus rigides sont donc celles tirant le meilleur de chacune de ces caractéristiques.
D’autres conceptions plus spéciales permettent de tirer profit de systèmes diffèrents, nous donnerons plus de détails dans le paragraphe ci-dessous.

2d) La rigidité latérale – Résultats

Les résultats peuvent donc être consultés au travers du tableau à gauche. Ils sont classés par ordre alphabétique, en deux colonnes séparées.
Il est évident qu’à conception identique à l’avant et à l’arrière, les roues avant sont toutes plus rigides que les roues arrières, les parapluies sont bien plus larges que sur les roues arrières. Il existe certains cas spécifiques, en particulier chez les roues des grands constructeurs, où les roues arrières sont aussi rigides, voire plus rigides que les roues avant. Ces particularités viennent de l’optimisation des éléments de la roue: rayonnages spécifiques, tensions extrêmes, conceptions particulières (Mavic R-SYS par ex.).Figurent ci-dessous les deux graphiques des rigidités latérales classées par ordre décroissant, pour les roues avant et les roues arrières.

Rigidités des roues avant Rigidités des roues arrières
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2e) La rigidité latérale – Commentaires

Ces graphiques mettent principalement en évidence les roues des grands constructeurs, souvent représentés en OEM, qui affichent toujours des valeurs de rigidité latérales élevées afin de convenir à la majorité de la population et d’offrir des caractéristiques de durabilité élevées. En effet, si un coureur lourd utilise une roue trop souple pour son gabarit, cette dernière se déformera lors des sprints les plus violents et verra ses rayons se détendre, ce qui sera mauvais pour la performance, mais fatiguera aussi prématurèment les rayons qui casseront à court terme.

Shimano, Mavic, Campagnolo, pour ne citer que les trois principaux, ont donc à leur catalogue des roues toujours très raides (en tout cas sur le haut de gamme). Ce type de roue est développé en tant qu’élément fini et non pas en tant que pièce détachée, ce qui apporte des avantages mais aussi des désavantages.
En ce qui concerne les avantages, nous pouvons citer, comme mentionné juste au-dessus, la rigidité latérale toujours très élevée, la durabilité est rarement prise en défaut, mais aussi
l’optimisation du fonctionnement des pièces entre elles.
Inversement, des concessions doivent être réalisées: l’utilisateur ne dispose pas forcément d’un produit qui lui convient parfaitement, les pièces sont spécifiques à la roue et ne peuvent pas être remplacées aussi facilement qu’une roue conventionelle, les tensions des rayons sont très élevées ce qui amène ces constructeurs à renforcer les composants, et donc les alourdirs.
Le poids des paires est souvent loin de ce que des fabricants plus exotiques peuvent proposer.

En effet, d’autres constructeurs moins importants, qui touchent donc une clientèle plus spécifique, peuvent se permettre d’utiliser une conception standard avec des composants
conventionnels. Le gain de poids, l’exotisme sont privilégiés à la rigidité extrême: Reynolds, Tune, Specialized, FRM, DTSwiss etc…

2f) Cas spécifiques

Les conceptions traditionelles des roues sont restées figées depuis des décennies: des rayons sous tensions entre la jante et le moyeu, grâce à des écrous assurent la cohésion de
l’ensemble.
D’autres constructions sont cependant sur le marché.

1 – les Lightweight qui disposent de rayons carbone qui s’enroulent autour du moyeu et sont moulés dans la jante, les Cosmic Carbone Ultimate qui reprennent ce concept mais en plus rigide et un peu diffèrent d’un côté de la roue l’arrière. Ce type de construction est très rigide et évidemment très légère (1200g les CCU, moins de 1100g les Lightweight). De plus ce concept est à l’heure actuelle l’un des plus polyvalent, même s’il faut reconnaître qu’elle accuse aussi de sérieux désavantages (réparation impossible, sensibilité des LW aux vents de côté, tarif, etc…)

2 – les Mavic R-SYS disposent quant à elles de rayons tubulaires très rigides qui travaillent à la fois en traction et en compression grâce à leur faible tension, la rigidité
des roues est importante malgré les jantes basses et très légères (roues de 1380g). Ces roues sont typées montagne car la rigidité est élevée, le poids plutôt intéressant pour une roue alu, et l’aérodynamisme est piètre.

3 – les Lew Racing Pro VT-1 ont des rayons carbone/bore collés à la jante et au moyeu, ils ne sont pas tendus et les roues sont donc extrêmement souple latéralement et
radialement. En revanche la roue arrière reste très rigide en dynamique car elle dispose d’un troisième flasque parfaitement dans l’alignement de la jante. Ce dernier empêche les déviations de la jante entre les patins de freins car le couple est directement transfèré du moyeu vers la jante.
Toutes les autres roues dotées de seulement deux flasques transfèrent le couple avec une composante latérale crée par le parapluie de la roue (cf. paragraphe 2b de la rigidité latérale), la jante tangue donc entre les patins.
Autrement dit, le test de rigidité latérale est valable pour déterminer le niveau de déformation sous l’effort et la limite de poids de toutes les roues du marché. Pour la Lew, ce test n’est pas représentatif des qualités dynamiques, mais permet seulement de déterminer la limite de poids  du coureur, admissible par cette conception car la Lew ne se dérobe pas sous l’effort.

A titre d’information, nous avons réalisé un petit croquis représentatif des diffèrences théoriques de rigidité des quatre paires de roues les plus spéciales du marché. Ce croquis a pu être établi grâce aux résultats de rigidité obtenus à deux charges diffèrentes.
On voit clairement que les faibles diffèrences de rigidité (pente de la courbe) sous de petites charges s’accentuent fortement après que les roues se soit affaissées. La Mavic Cosmic Carbone Ultimate est extrêmement rigide en dépit d’un poids toujours très contenu (1200g la paire), la Lightweight Standard un ton en dessous, et la Obermayer encore en dessous. C’est pour cette raison que Lightweight a développé pour 2009 une version « Sprint » de ses roues qui est censée reprendre la tête: ces roues sont équipées de 20 rayons à l’avant, et 24 à l’arrière, contrairement aux 20 habituels.

En ce qui concerne la Lew complète, elle s’avère très rigide sous de faibles charges (50N/mm de rigidité) mais s’affaisse sur des charges moyennes. Ce type de roue fait donc fureur avec les coureurs légers et moyens, mais offrira de piètres performances avec les plus costauds qui verront régulièrement la roue se déformer, non pas par leur puissance, mais par leur poids.
L’affaissement sur cette roue est plutôt impressionnant, voyez la photo ci-dessous:

Afin d’étayer nos propos concernant les diffèrences avec une roue très rigide latéralement, vous pouvez ici trouver deux vidéos significatives.

Vidéo roues Lew: les rayons s’affaissent totalement sous la charge

Vidéo roues Lightweight, les rayons restent raides malgré la charge

Conclusion – La rigidité latérale – Comment choisir?

Les sensations de rendement et performance proviennent principalement de l’inertie de la roue (voir article n°2 du grand test), mais la rigidité latérale a un rôle non négligeable aussi.
Une roue qui se dérobe sous l’effort, une jante qui vient frotter les patins et c’est une perte significative de puissance et donc de vitesse sur les accélérations brutales.
La rigidité d’une roue se doit donc d’être aussi élevée que possible pour obtenir des performances maximales. Cependant, tous les cyclistes ne profitent pas d’une rigidité très élevée.
Seuls les gabarits très lourds et/ou très puissants sont à même de ressentir la diffèrence entre une roue à 45N/mm et une autre à 55N/mm. Les plus petits gabarits ou les cyclistes qui n’ont pas spécialement de prétentions à faire la course devraient plutôt se focaliser sur l’inertie de rotation comme critère de sélection.

Il convient donc ne pas tomber dans l’excès en sélectionnant à tout prix les roues les plus rigides en s’imaginant que les performances seront forcément meilleures. Une rigidité élevée est aussi synonyme, dans 80% des cas, de poids important et donc de pénalités lors des accélération ou des montées. Idéalement, il faut sélectionner les roues au meilleur rapport inertie de rotation/rigidité latérale, pour un gabarit précis, sans laisser ni l’aérodynamisme (voir article n°1 du grand test) ni la résistance au roulement (article à venir) de côté.

Restrictions pour optimiser la performance du coureur
Grosso modo, seuls les cycliste recherchant la performance maximale, ou les cyclistes massifs ont besoin de rigidité à tout prix. Au dessus de 80kg, le coureur se doit de privilégier des roues dont les rigidités latérales ne descendent pas en dessous de 40N/mm.
Entre 70 à 80kg, les roues sous les 35N/mm sont à mettre de côté. Et entre 60 et 70kg, les roues sous les 30N/mm ne sont qu’à moitié envisageables, toujours si on est dans une optique performance « course ».

Partie 0 – Introduction
Partie 1 – Aéro
Partie 2 – Inertie
Partie 4 – Résistance au roulement
Partie 5 – Bilan

 
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6 réponses à Grand test de roues 2008 – Partie 3 – Rigidité

  1. Ping : Connaissez-vous les roues ROL? - Velocia

  2. Favrais dit :

    bravo à tous, vraiment très interessant!!!

  3. Ping : Grand test de roues 2008 – Partie 2 – Inertie | Roues Artisanales

  4. Ping : Grand test roues full carbone 2011 – Partie 2: Inertie | Roues Artisanales

  5. Ping : Grand test roues full carbone 2011 – Partie 3: Rigidité latérale | Roues Artisanales

  6. Aubart dit :

    Bonjour, merci pour ces études très complètes et intéressantes.
    Nous faisons un TIPE dans le cadre de nos études d’ingénieurs et souhaiterions savoir si vous disposez d’informations supplémentaires en matière de modélistation des actions sur les rayons et d’évolution des technologies de fixation des rayons?
    Merci par avance.

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