1. a. Les contraintes

Les contraintes subies par cette structure sont nombreuses et d’intensités très différentes. Elles sont majoritairement supportées par des changements de tension dans les rayons.

En statique (lorsque votre vélo est rangé au garage), des contraintes sont déjà présentes :

La tension des rayons elle-même cherche à « raccourcir » la distance existante entre le moyeu et la jante, voilà la principale contrainte statique, assez surprenant de voir que les éléments (les rayons) supportant majoritairement les contraintes sont eux même pourvoyeurs de contraintes.
La pression présente dans les pneumatiques tend à réduire le diamètre de la jante (voilà l’une des deux raisons pour laquelle l’on entend souvent qu’il est bon de réduire de moitié environ la pression des pneus, l’autre étant la possible perte d’élasticité des fils de la carcasse du pneumatique). Concernant la perte d’élasticité des pneumatiques, il faudra que je m’adresse à un spécialiste pour avoir le fin mot de l’histoire, car je pense que les carcasses « non naturels » de plus en plus utilisées sont moins propices à ce genre de problème. Pour ce qui est de la jante, ne vous inquiétez pas, la contrainte bien qu’existante est infime, elle ne provoquera en fait qu’une légère perte de tension des rayons visible à l’aide du tensiomètre mais insignifiante comparée à celles que les rayons vont subir en dynamique.

Transition toute trouvée, abordons donc les contraintes qui nous intéressent vraiment : les contraintes dynamiques. Et là je risque de commencer à vous surprendre (ou peut-être vous décevoir J), puisque je vais à nouveau lister ces contraintes par ordre d’importance, et même s’il m’est très difficile de chiffrer précisément cela, la contrainte de très loin la plus importante (quelque part autour de 80 à 90% voir plus) n’est pas le couple « surpuissant » que nous appliquons sur notre roue arrière (je vous l’avais dit, notre ego de cycliste en prend un coup), mais tout simplement notre propre masse (contrainte radiale). Viennent ensuite les contraintes latérales et de torsion.

Plus en détail :

Les contraintes radiales sont donc de très loin les plus importantes, et au nombre de deux, la seconde étant liée au freinage dans le cas d’un frein sur jante (étriers pour vélo de route, cantilevers, v-brakes, freins sur jante hydraulique). Je mentionne ces contraintes liées au freinage juste pour que vous sachiez qu’elles existent, mais nous ne rentrerons pas plus dans les détails car on ne la prend pas en compte pour la conception d’une roue (attention : je parle ici uniquement des freins sur jante). Revenons donc à la « vraie » contrainte radiale, je me lancerai bien dans un grand cours de physique, mais pas sur du tout que j’ai les compétences pour cela, alors faisons simple. Tout élément à la surface de la Terre est attiré par le centre de celle-ci, j’espère ne pas me tromper en disant que notre masse correspond en quelque sorte à l’intensité de cette attirance. Vous vous demandez peut-être ou je veux en venir ? euh bah moi aussi :) . Lorsque nous montons sur notre vélo, nous créons en quelque sorte un ensemble roulant composé de nous et notre vélo, et ayant une masse globale correspondant à l’addition de ces éléments. Cette masse globale repose alors uniquement sur les quelques millimètres de gomme de nos pneumatiques étant en contact avec le sol. Au niveau de la roue, cela signifie que le rayon perpendiculaire au sol et celui subissant le plus de contraintes. Cette contrainte si le montage a été bien réalisé avec une tension suffisante, se traduit simplement par une perte de tension sans aucune déformation du rayon concerné. Je pense qu’il n’est pas trop prématuré de tirer les première réflexions qui vont rapidement nous mener dans le vif du sujet, à savoir « quelle roue est bonne pour moi ». En voilà déjà deux :
- quelque chose que je n’ai pas encore dit car très évident… lorsque vous roulez, vos roues tournent (ça c’est un scoop !!!), donc la contrainte maximale sur le rayon perpendiculaire au sol se fait en alternance entre tous les rayons, ma première déduction est donc la suivante : plus le nombre de rayons est élevé, plus le laps de temps durant lequel un rayon supporte la contrainte maximale est court, et dans le cas d’un nombre de rayons élevés la contrainte maximale peut « presque » être supportée par deux rayons à la fois (cela pourra nous amener un peu plus tard à discuter du cas très intéressant des roues à rayons appairés). Tiens cela me fait juste penser à quelque chose d’autre, plus l’on roule vite, plus l’on raccourcit également ce laps de temps, donc pour préserver vos roues, vous savez ce qu’il vous reste à faire : Roulez le plus vite que vous pouvez :) !!!
- deuxième réflexion, qui correspond en fait au second moyen de réduire la contrainte sur le rayon perpendiculaire au sol, utiliser une jante la plus rigide possible. Il est très simple d’imager cela : imaginons l’imaginable, une jante en caoutchouc, la jante n’aurai aucune résistance par rapport au sol puisque complètement déformable, et dans ce cas la totalité de la contrainte reposerait sur le rayon, à l’opposé une jante très rigide, généralement haute, ne déformera pas ou que très peu au contact du sol, dans ce cas la contrainte est bien moins supporté par le rayon. C’est pour cela qu’il est très difficile de réduire le nombre de rayons avec une jante plate, alors qu’à l’opposé une jante carbone ou alu très profilé quasiment indéformable permettra de divise le nombre de rayons 1.5 à 2 fois par rapport à une jante plate alu.
Les contraintes latérales sont principalement provoquées par les changements de position sur le vélo, notamment lorsque l’on roule en danseuse, ainsi que par les virages. Nous ne rentrerons pas vraiment dans les détails, puisque ces contraintes se maintiennent toujours dans les limites élastiques des différents composants et ne sont par conséquent pas un réel problème (nous aborderons le thème de la rigidité latérale un peu plus tard…).
Dernière contraintes, nous ne pouvions pas les oublier sont les contraintes de torsion, elles correspondent en fait à l’application d’un couple sur le moyeu, deux situations possibles, le pédalage sur la roue arrière, et le freinage à disque, aussi bien sur la roue avant que sur la roue arrière. Lorsque je disais que ces contraintes étaient infimes, je n’ai peut-être pas précisé « dans le mesure ou la positionnement des rayons est correct », car pour être tout à fait juste, il faut préciser que ces contraintes peuvent être aussi bien être infimes qu’énormes. C’est ici que se pose le problème des croisements et angles de rayonnage, la position « idéal » pour un rayon recevant du couple et tangentiel par rapport à l’axe du moyeu, soit un angle se rapprochant le plus possible de 90°. Dans cette situation les contraintes sur les rayons sont minimes et la rigidité en torsion est maximum. A l’opposé le rayonnage radial vit très mal le couple qu’on lui demande de transmettre, dans ce cas on diminue la durée de vie du rayon de manière très significative, puisque le rayon avec un positionnement radial transfèrera malgré tout le couple mais les contraintes subies sont tellement énormes (le rayon essayant en permanence de se positionner de manière tangentielle, position « opposé » au positionnement radial du rayon) que la durée de vie du rayon sera très limité. Je ne souhaite pas trop rentrer dans les détails car c’est un peu compliqué, mais il y a cependant certaines situations ou le rayonnage radial est « envisageable » avec un couple à transférer, j’utilise bien le mot « envisageable » pour exprimer le fait que oui cela peut tenir, mais cela suppose de prévoir un design et une roue spécifique. Vous m’entendrez souvent dire une phrase du type « c’est partir d’une mauvaise idée, et construire autour de cette mauvaise idée quelque chose qui tient ». Ma logique étant plutôt d’essayer de partir de quelque chose qui fonctionne très bien et d’essayer de l’optimiser, car nous sommes à mon sens moins limités en partant de quelque chose de bien qu’en partant de quelque chose de mauvais. Bref je m’égare… mais j’en ai de toute façon à peu près fini avec les contraintes.

Ayant abordé les différentes contraintes (j’ai volontairement exclu les chocs inhabituels dus par exemple au chute car ceux-ci ont difficilement explicables), venons en aux conséquences de celles-ci : les possibles ruptures. Comment se produisent-elles ? Comment les prévenir ?

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