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bon article : cadre rigide/souple, course/tourisme, matériau

Les différents rayonnages des roues, les normes de pneus, les types de suspensions ou d'avertisseurs, les types de
changements de vitesse, la position en selle, quelle taille de cadre pour quel taille de cycliste, etc ...
Attention ! Il s'agit ici de présentation de systèmes et normes. Toutes les discussions liées à de la restauration
doivent être dans Trucs et Astuces de Restauration.

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bon article : cadre rigide/souple, course/tourisme, matériau

Messagede JulienDévé » Sam 05 Déc 2015 09:57:34

Bonjour à tous,

un petit article qui m'a appris plein de choses, ou en tout cas a clarifié plein de choses dans mon esprit, en quelques paragraphes.
Le début concerne les matériaux actuels mais la fin, qui aborde la mécanique, le confort et le poids, est plus intéressante. Notamment que la rigidité d'un cadre est relative à l'effort fourni par le cycliste --> nature compétition, course amateur ou tourisme d'un cadre ...
Merci au vélo club de clamecy http://vccufolep.free.fr/spip.php?article120



Choisir son cadre

Un point à ne surtout pas négliger !

Trop de cyclistes choisissent un cadre et sont vite rappelés à l’ordre par leur dos ou leur nuque. Une fois encore difficile d’avouer que l’on s’est trompé. L’idéal est bien sur de faire une étude posturale qui vous permettra de choisir un cadre sur mesure qui vous convient avec les accessoires qui conviennent également. Cela vous en coûtera environ 150€ souvent déduis si vous prenez le cadre au même endroit, donc un bon investissement. Sinon il existe des solutions plus empiriques qui permettent de définir les points principaux de la géométrie à utiliser, à savoir hauteur du cadre, longueur du cadre et inclinaison du tube de selle.

On présentera ici une méthode plutôt proche de la réalité, bien que représentant une tendance qui ne convient pas toujours à tout le monde.

A partir de deux rapports morphologiques et de trois mesures morphologiques simples :

- taille ( T )

- cuisse (fémur ) ( C )

- Entre Jambe ( EJ )

Il a été défini d’après une étude sur 2100 personnes de nouveaux rapports morphologiques :

- C / EJ dont le standard est 0.72

- EJ / T dont le standard est 0.48 Le rapport C / EJ va donner l’inclinaison du Tube de selle 73° étant notre standard.

Le rapport EJ / T va donner la longueur du Tube horizontal
Pour la hauteur du cadre : H = EJ x 0.65
Pour la longueur du cadre (tube horizontal) L = [ EJ x 0.65 ] + 1cm jusqu’à taille 54 ensuite L=[EJ*0.65]

Sur mesure ou ... Deux choix s’offrent à vous lors de l’achat d’un cadre : le cadre de série et le sur-mesure.
Parlons un peu des deux types d’un point de vue comportement. La géométrie liée à l’ergonomie sera prise en compte dans le chapitre suivant. Attention toutefois le cadre doit être adapté à la fois d’un point de vue comportement et ergonomie sans quoi le choix sera mauvais.

n Les cadres de séries Il s’agit ici bien sur de la majorité des cadres. Les cadres de séries sont en général adaptés à une pratique définie et il y a, dans la large gamme du marché, suffisamment de choix pour trouver son bonheur.
La communication des fabricants est souvent basée sur le modèle haut de gamme, le plus cher, attention donc à ne pas se laisser aller par les effets de la publicité et des vélos des pros. Dans un premier temps essayez de rechercher dans les revues spécialisées les modèles qui vous conviendraient en gardant quand même toujours un peu de recul, un test reste subjectif et les chiffres ne traduisent pas toujours la réalité.
Quoi qu’il en soit c’est déjà un bon moyen. Dans la mesure du possible évitez les conseils des revendeurs peu scrupuleux qui voudraient bien vider leur stock et des amis qui veulent vous faire acheter le même vélo qu’eux, il est en effet difficile d’avouer que l’on s’est trompé et qui plus est que l’on a pas les capacités pour ce cadre.
Globalement la règle sera la suivante plus l’effort sera intensif et court plus on privilégiera la rigidité.

n Vous imaginez un cyclotouriste sur un vélo de contre la montre ? Lui non plus... Une règle à bannir : prendre un cadre plus petit car il sera plus nerveux. D’une, en passant d’un taille la différence ne sera pas vraiment sensible, deux, l’ajout excessif de rondelles sous la potence fragilise la fourche et la douille, et trois, c’est une hérésie en terme mécanique car la potence risque d’être plus longue et l’équilibre sur le vélo sera modifié.

n Le sur mesure Vous entrez ici dans le domaine du comportement à la demande en plus de l’ergonomie comme on le verra par la suite. Ici le modèle de cadre n’existe pas encore et sera fabriqué à votre demande selon votre usage. On pourrait croire que ce service est très cher et ce n’est pas vraiment le cas par rapport à un haut de gamme, les prix sont largement comparables voir inférieurs.
Il en est de même pour les milieux de gamme, il n’y a qu’en entrée de gamme que cela deviendra plus difficile de trouver un prix équivalent à la série.
Ce sont en fait des cadres soudés par des artisans à partir de tubes de grandes marques (columbus, dedacciai, reynolds, easton...) coupés aux dimensions voulues. Les tubes sont choisis suivant un large catalogue qui permet de répondre à la plupart des demandes. Le coté humain peut être agréable, c’est souvent la personne qui vous accueille qui fabriquera votre cadre, c’est un gage de confiance. Reste que le manque d’image est souvent préjudiciable.

n Le matériau
On a vu avant qu’il existait une certaine normalisation entre les matériaux (excepté le carbone), nous allons donc les distinguer par leurs qualités et leurs défauts. N’oubliez donc pas que ce n’est pas le matériau en lui-même qui jouera un rôle important sur le confort et la rigidité mais la forme et la section des tubes.

n L’acier
C’est le matériau originel par nature, celui qui a été utilisé de façon quasi unique pendant 100 ans. Si ce matériau donne une image assez traditionnelle et figée, ça n’est pas du tout le cas. Les évolutions de l’acier sont très importantes ces dernières années, une devise d’Arcelor peut facilement résumer : « les aciers utilisés aujourd’hui n’existaient pas il y a 5 ans ». Pour preuve la dernière série Reynolds atteint 0.3mm minimum d’épaisseur, la rigidité est optimale et le poids minimal. Ce qui a coûté la perte de la première place à l’acier, c’est qu’a l’époque où on a commencé à travailler l’aluminium, celui-ci était beaucoup plus simple à travailler et a plus rapidement permis de faire des cadres légers et rigides.
Le comportement des aciers était alors relativement « mou » car il n’y avait pas de tubes surdimensionnés, méga tubes ou différentes, ce qui avec les épaisseurs constantes ne jouaient pas en la faveur des aciers en performance mais il était le parfait ami du cyclotouriste.
Les séries récentes font la part belle aux compétiteurs mais les cyclotouristes ne sont pas oubliés avec des séries plus rondes moins difficiles à emmener que l’aluminium et le carbone ne proposent pas (ou peu). L’élasticité plus importante que d’autres matériaux métalliques lui permet de rester abordable physiquement à tous les cyclistes. En terme de longévité, on a pu constater une meilleure conservation des caractéristiques mécaniques de l’acier dans le temps. Toutefois il faut nuancer cela car avec les épaisseurs de plus en plus fines, on peut douter de l’importance de cet avantage. Les problèmes de corrosion de l’acier sont relativement bien surmontés par les peintures utilisées sauf en cas de bris de peinture, cela peut devenir gênant.
La dernière série 953 de Reynolds utilise elle de l’acier inoxydable et permet donc une meilleure tenue.

n L’aluminium
C’est la star des années 90 malgré la concurrence du titane. L’aluminium a tout pour plaire : poids, rigidité, prix attractif, facile à souder, excellente résistance à la corrosion, plasticité élevée permettant un étirage simple.
Trois types d’alliages sont utilisés :

- le 5000, un alliage d’aluminium et de magnésium, délaissé car les autres séries conviennent mieux à la soudure.

- le 6000, un alliage d’aluminium, de magnésium et de silicium.

- le 7000, un alliage d’aluminium, de zinc et de magnésium.
Les deux derniers sont les plus utilisés de façon équivalente suivant les constructeurs. L’aluminium à une image de matériau permettant de faire des cadres très rigides mais peu confortables. C’était en effet le cas au début, la frénésie de l’usage des formes surdimensionnées associée à des épaisseurs importantes par rapport à aujourd’hui rendait les cadres relativement exigeants.
Aujourd’hui les cadres sont plus confortables grâce à la diminution des épaisseurs due à la meilleure maîtrise des procédés et des matériaux et la quête des poids faibles. L’aluminium reste toutefois moins élastique que l’acier et est donc un peu plus exigeant. Les séries récentes nécessitent de plus en plus de traitements thermiques après soudure afin de rendre au cadre les propriétés altérées par la soudure.
Ces traitements sont de plus en plus contraignants pour les petits cadreurs car nécessitent des investissements importants. De plus il est impératif de respecter parfaitement le processus, sans quoi le cadre sera vraisemblablement très fragile. L’aluminium est naturellement recouvert par une couche d’oxyde qui le protège très bien des phénomènes de rouilles plus possibles sur les aciers. Ceci est un avantage important.

n Le carbone
C’est la révolution de ces dernières années. Les cadres dits en carbones sont plutôt des cadres en composite à matrice époxy et renfort fibre de carbone et autres fibres.
La mise en œuvre de ces composites est tel que l’on peut tout faire ou presque et ce même de façon artisanale. Pour comprendre cela, il faut déjà savoir que les cadres en carbones sont fabriqués à partir de tissus qui vont polymériser à la cuisson et la mise en œuvre de tissus est beaucoup plus aisée que les métaux. On peut donc quasiment tout faire avec du carbone sur un cadre et surtout on peut faire léger et rigide. C’est d’ailleurs dans cette voie que se sont d’abord engagés les fabricants de cadres carbones, des cadres très performants mais très exigeants.
Ceci était du à une mauvaise connaissance au début. Par la suite on a su ajouter des fibres autres que le carbone afin de pouvoir amortir les vibrations que le carbone n’amortit pas (ou si peu), ce qui a permis de rendre le cadre plus facile à vivre. De plus, on peut renforcer des cadres uniquement aux endroits sollicités en ajoutant des couches de renfort et donc cela permet d’avoir du matériau juste là ou il faut et donc jouer la quête de l’extrême légèreté. Avec les connaissances actuelles, on peut faire des cadres adaptés à toutes les pratiques et à tous les cyclistes. Il faut quand même rester méfiant car comme pour l’aluminium les cadres haut de gamme de série sont souvent des produits relativement exigeants qui sont réservés à une élite.
De plus en plus de cadreurs font aujourd’hui des carbones à partir de tubes de série qu’ils peuvent couper pour s’adapter à la taille du client. De plus ces tubes peuvent être renforcés par des tissus de drapage qui permettent d’adapter le produit à la pratique du client. De nombreux cadres carbones sont fabriqués au même endroit (Taiwan) et sont identiques. Ils sont vendus sous divers noms, attention donc car les tarifs varient mais pas le produit ! L’usage du carbone étant encore relativement récente nous recommanderons donc de faire confiance à des gens qui maîtrisent parfaitement ce matériau afin de ne pas devoir renvoyer son cadre en garantie tous les 6 mois.

n Le titane
C’est le métal noble par excellence. Utilisé comme référence dans les industries de pointe, le titane reste limité à des marques prestigieuses qui ont su développer leur image autour de la maîtrise de ce métal. Les cadres titanes sont généralement très légers, ici aussi on a beaucoup travaillé les épaisseurs des tubes. Toutefois ce travail est rendu difficile par le fait que le titane est un matériau très dur à travailler et qui nécessite donc un outillage adapté. De plus la soudure des cadres titanes nécessite de travailler en atmosphère contrôlée car le titane à une forte tendance à s’oxyder à haute température. Ce défaut est par contre inversé à température ambiante, en effet le titane est très résistant à l’oxydation, ce qui permet de fabriquer des cadres sans peinture qui en plus résistent aux rayures et aux chocs.
Le titane est, en outre, un métal très élastique ce qui permet un grand confort. La tenue dans le temps des propriétés mécanique est excellente et surpasse largement l’aluminium. Il y a toutefois un gros défaut, le prix. Comme on l’a dit il nécessite des outils spéciaux qui coûtent chers et en plus le soudage doit être fait en atmosphère contrôlée. A cela il faut ajouter le coût de la matière première qui est très important car la transformation du minerai en métal est difficile. De plus les tubes proviennent du secteur aéronautique, qui l’un des seuls fabricants, et sont donc soumis à de nombreuses exigences qui viennent augmenter le prix.
Le titane est donc un matériau qui a de nombreuses qualités mais dont le prix et la mise en œuvre viennent souvent limiter l’usage.

n Première partie : la mécanique
Quelques notions de mécaniques sont importantes pour comprendre le comportement d’un vélo, on les rappellera ici.
La rigidité
La rigidité est bien souvent le critère principal recherché par le cycliste. Ceci se fait parfois à tord car la rigidité se fait au dépend du confort. Tout matériau se déforme sous une contrainte. Toutefois il se déformera plus ou moins suivant un paramètre intrinsèque du matériau : Le module d’ Young E. Ce module lie la contrainte à la déformation en traction par la formule : contrainte= E*déformation.
On rappelle que la contrainte est une force appliquée sur une surface précise (1m²). Par exemple pour l’acier le module d’ Young vaut 210 GPa contre 70 pour l’aluminium. Une poutre en aluminium se déformera donc 3 fois plus qu’une poutre en acier de même taille.
Mais un vélo est essentiellement soumis à des contraintes de flexion : Une poutre encastrée d’un coté et on appuie sur la partie libre, la poutre se déforme. Force qui va déformer la poutre
Sur un vélo, c’est essentiellement au niveau de la boite de pédalier que l’on ressentira la rigidité. La boite de pédalier est bloquée par le tube diagonal, le tube de selle et les bases mais elle se déplace quand même latéralement lors du pédalage. Plus elle se déplacera, moins le cadre sera rigide donc plus il transmettra la puissance que vous avez.
La rigidité intervient également au niveau de l’avant du cadre, celui-ci se déplacera également latéralement, notamment lors des passages en danseuse. Moins le cadre bougera, plus le mouvement de balancier du corps sera retransmis.
Enfin elle intervient aussi sur l’arrière du vélo, ici aussi on a un déplacement latéral de l’arrière. Un arrière qui bouge peu retransmet parfaitement la puissance mais cela induit des bases courtes qui peuvent jouer en défaveur de la stabilité et du confort. Dans les protocoles de tests on mesure la déformation de ces trois parties. Cette valeur de déformation est due à plusieurs paramètres :

- La section des tubes, c’est-à-dire leur diamètre, leur épaisseur et leur forme. On ajoutera à cela la longueur et l’épaisseur des renforts dans le cas de tubes à épaisseurs différenciées (dit double ou triple butted). Plus les tubes sont larges et épais, plus ils sont rigides.

- La longueur des tubes. A épaisseur constante un tube plus long aura une déformation plus importante pour la même force appliquée.

- Le matériau qui suivant son module d’ Young se déformera plus ou moins.

- La force appliquée sur le vélo qui sera ici la puissance du cycliste et son poids.

n Le confort
On ne reprendra pas ici ce qui a été dit dans le chapitre précédent mais il est bien important de constater qu’un cadre ne peut être à la fois rigide et confortable. C’est une douce utopie ! Il faut aussi dire que l’on peut trouver un juste compromis entre les deux mais c’est là le plus difficile à obtenir. Ce qu’il faut bien comprendre, c’est qu’un cadre très rigide nécessite un niveau de puissance en conséquence.
Si un cyclotouriste dont on peut penser qu’il développe 150W maximum s’essai sur un cadre hyper rigide, il n’aura aucune sensation de confort puisqu’il n’arrivera pas à déformer suffisamment son cadre. C’est pourquoi les pros peuvent se permettre d’utiliser des cadres très rigides et d’y trouver du confort car ils ont la force de le déformer. Mais ce n’est pas toujours le cas, on se souvient du LOOK KG196 de la Once que seul Alex Zülle utilisait pour des raisons de confort mais il y avait un autre problème... Dans le confort il faut également tenir compte de la filtration des vibrations. Les métaux aciers aluminium, acier et titane absorbent bien mieux les vibrations que le carbone seul.
C’est pourquoi on a ajouté au carbone des fibres de différentes qui absorbent les vibrations. On peut également ajouter des inserts en élastomère (type caoutchouc) comme le font certains fabricants. En jouant un peu sur les formes, on peu aussi, selon les constructeurs, améliorer la filtration en utilisant par exemple des haubans incurvées sur les carbones.
Un autre élément important est le retour élastique du matériau. Ainsi un cadre sera plus ou moins difficile à déformer suivant sa rigidité mais il reviendra en position plus ou moins facilement également suivant son élasticité. Ce retour élastique est difficile à mesurer mais est en général en faveur de l’acier et surtout du titane. Il est donc important de rationaliser sa pratique et de choisir son vélo en fonction car le plaisir peut se transformer en cauchemar.

n Le poids
Le poids n’a pas vraiment sa place dans la partie mécanique, toutefois c’est avec la rigidité, la chose la plus recherchée. De plus il va y avoir une certaine influence du poids sur le comportement. Comme nous l’avons vu plus haut le module d’ Young de l’acier est trois fois supérieur à celui de l’aluminium. Hors un cadre en aluminium ne se déforme pas 3 fois plus qu’un acier, sinon tout le monde roulerait en acier.
C’est ici qu’intervient le poids ou plus précisément la masse volumique du matériau. IL s’agit en fait de la masse d’un cm3 de matière. Un cm3 d’acier pèse 7.8 g alors qu’un cm3 d’aluminium pèse 2.7g. On peut donc se permettre avec un aluminium de faire des parois beaucoup plus épaisses pour être aussi rigide qu’un acier tout en étant un peu plus léger.
En ce qui concerne l’acier, grâce à de nouveaux alliages on arrive à faire des tubes dont l’épaisseur la plus fine est 0.3mm sans perdre de rigidité grâce a des épaisseurs différenciées. On constate sur les gammes des grands fabricants de tubes un niveau de rigidité équivalent entre acier haut de gamme et aluminium avec des poids proches.

n les tubes
La forme et l’épaisseur des tubes ont considérablement évolue ces dernières années. Ainsi on parlait précédemment des épaisseurs différencies. Qu’est ce donc vraiment ? En fait au début les cadres de vélo étaient faits avec des tubes (acier) épaisseur constante. Ceci posait un problème car entre un cadre taille 50 et un taille 60 il y avait un gros écart et le grand se déformait beaucoup plus.
Pour palier a cela, on utilisait des tubes plus épais sur les grandes tailles (0.7mm en général) mais le poids s’en trouvait greffe. A l’arrive de l’aluminium, avec ses plus grandes aptitudes a être travaille, on a pu fabriquer des tubes a épaisseurs différencies c’est-à-dire des tubes plus fins au milieu la ou il y a de faibles sollicitations et plus épais sur les cotes.
Ceci a permis de grappiller encore un peu de poids mais aussi d’avoir des renforts plus ou moins longs suivant les tailles donc de conserver le niveau de rigidité en augmentant le poids plus faiblement. C’est pour cette raison que l’aluminium a pu détromper l’acier mais la revanche de celui-ci n’a pas attendu.
Depuis la fin des années 90 et arrive de nouveaux alliages, on a pu travailler les aciers pour avoir également ses épaisseurs différencies cela permet a ce matériau de concurrencer directement l’aluminium avec des propriétés de vieillissement en faveur de l’acier.
L’arrivée des mégatubes a également permis d’améliorer les qualités des cadres, en augmentant le diamètre on résiste mieux a la flexion tout en diminuant épaisseur de plus les formes ovales sont plus rigides que les rondes pour des raisons mécaniques. En ce qui concerne le carbone, sa mise en œuvre étant différente, on peut plus facilement faire des formes différentes, ajouter un peu de carbone la ou il faut. On peut donc se permettre plus de choses mais nous verrons cela plus tard. Ce qu’on peut tirer de tout cela, c’est que finalement les séries de tubes acier, aluminium et titane des grands constructeurs finissent maintenant par avoir un niveau de rigidité équivalent pour des poids assez proches.
Par exemple pour les aluminiums, on aura un niveau équivalent de rigidité entre toutes les séries pour une même forme et une même section de tube, seul le poids diminuera en allant vers le haut de gamme.
Il existe heureusement encore des séries aciers dont les niveaux de déformation sont plus importants afin de se prêter plus facilement à une activité tourisme.

n Données numériques sur une base des essais de cadres du magazine le cycle (http://www.lecycle.com/), nous avons mis en relation les déformations et le niveau de puissance.
Ainsi il est possible de déterminer quelles déformations du protocole du magazine sont adaptées à notre niveau. Pour cela, on a relevé les déformations des différents tests et mis en adéquation la plus grande déformation avec un faible niveau de puissance maximum (150w) et la plus petite déformation (donc le plus rigide) avec un niveau de puissance professionnel (450w). On en a tire une loi linéaire qui nous donne le tableau suivant : En connaissant sa puissance maximum, on peut déterminer le niveau de déformation du cadre qui nous conviendrait.
Il s’agit toutefois de valeurs moyennes et on peut avoir un cadre très rigide au niveau de la boite et très peu au niveau de l’avant. Il est également important de préciser que ses essais ne reflètent pas réellement la réalité de la route puisque ils ne tiennent pas compte du poids du cycliste et que le test est statique. Cela reste un outil intéressant.

Ceci est une actualisation d’un article de juillet 2006.

JulienDévé
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Re: bon article : cadre rigide/souple, course/tourisme, matériau

Messagede qipiq » Dim 06 Déc 2015 13:14:16

<< Il est également important de préciser que ses essais ne reflètent pas réellement la réalité de la route puisque ils ne tiennent pas compte du poids du cycliste et que le test est statique.>>

:hello: Et oui, un cadre doit aussi avoir la rigidité qu'il faut pour prendre de l'angle et pour résister aux efforts qu'il subit au freinage, qui sont exactement l'inverse de ceux de la propulsion. Sans parler des "bagages" éventuels. Il doit aussi combiner le rendement à l'effort, avec la maniabilité et la tenue de route en descente. Rien de tout ça n'est pris en compte dans cette "étude".
<<Je défendrai toujours la nécessité de servir de référence correcte quand on poste. On ne doit pas tricher avec ses restaurations, quand on peut être pris comme modèle...>> Munny le 8 septembre 2012. ... Un jour il y aura plus de vélos anciens de course en collection qu'il en fut fabriqué !
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Re: bon article : cadre rigide/souple, course/tourisme, matériau

Messagede zebulon » Dim 31 Jan 2016 18:03:44

L'article est trés intéressant mais cependant je me pose une question: on sait que l'effort produit par le cycliste ne se transmet pas intégralement sur la route au niveau des pneus. Parmis les diverses déperditions se trouve la déformation du cadre, principalement autour de l'axe du pédalier comme le souligne 'article. Or je n'ai jamais trouvé de données chiffrées de cette déformation en terme de puissance perdue selon le type de cadre. Pour le cycliste moyen roulant sur cadre acier qui délivre 150 watts est-ce 1, 5,10 watts de perdu ? Connaitre ce chiffre permettrait de relativiser ou pas l'intérêt de l'achat d'un vélo moderne en carbone par exemple. Bon je sais bien, une question un peu éloignée des motivations de nous autres tontons,..
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