Trop de rigidité?

Comme à tous les printemps, on voit passer des annonces mentionnant plus de rigidité sur de nouveaux cadres par rapport aux anciens. 10% ici, 14% là. Plus efficace, plus rapide on nous dit. Intuitivement, c’est logique, alors on embarque.

Mais est-ce le cas? Est-ce que la rigidité latérale d’un cadre de vélo est corrélée avec plus de rapidité? Une discussion avec Jan Heine, James Huang et Damon Rinard sur le podcast de l’excellent site cyclingtips.com nous a inspiré cet article afin de démystifier cette croyance.

Jan Heine c’est posé la question il y a quelques années et a ensuite réalisé quelques expériences afin d’en savoir plus sur le sujet. Le test ultime fut un test à double insu avec des vélo identiques en tout point, sauf pour leur rigidité. Ni l’administrateur du test, ni les cyclistes ne savaient sur quel vélo ils roulaient. Le résultat? Le cycliste sur le vélo plus flexible générais plus de watts! 12% de plus! Subjectivement, les cyclistes du test affirmaient se sentir capable de pousser plus fort sur le vélo plus flexible à chaque fois. On voit dans la charte suivante les effort d’un des cyclistes sur le vélo rigide (#1) et le vélo flexible (#2):

Puissances moyennes sur chaque vélo

Comment se peut-il qu’un cadre plus flexible permette à un athlète de produire plus de watts? La façon de comprendre ce qui se passe est plutôt d’imaginer quelqu’un sauter sur un plancher en béton vs sur un trampoline. Le béton est certes plus rigide, mais il ne permet pas d’amplifier le travail de l’athlète comme le fait le trampoline.

Le réal facteur important ici est le coefficient de restitution du cadre. En bref, lorsqu’on applique une force simulant le coup de pédale sur un cadre, et qu’on retire cette force, le cadre retrouve sa forme initiale à chaque fois. Dans le cas des vélos modernes, celui-ci se trouve tellement proche des 100% qu’il est très difficile d’arriver à le mesurer. Il n’y a donc pas de perte d’énergie dans le système.

Il est aussi intéressant de constater que le modèle mathématique le plus utilisé et respecté dans le domaine du vélo ( Validation of a mathematical model for road cycling, Martin et al. 1998 ) n’inclus pas de paramètre pour la rigidité ou le coefficient de restitution. Ce sont des variables complètement indépendantes.

Alors, armé de ces nouvelles connaissances, on fait quoi? Essentiellement, c’est une question de bien arrimer les caractéristiques d’un vélo au cycliste. Selon le gabarit, la puissance du cycliste et son style de pédalage, les recommendations vont inévitablement changer. C’est d’autant plus important de faire plusieurs essais routier avant de prendre une décision sur un vélo.

 

Les roulements céramique démystifiés

Ce n’est pas nouveau, nous sommes de grands fans de ce que peuvent apporter des roulements en céramique ( Si3N4 ), mais il y a encore bien des questions qui reviennent à leur sujet. Nous allons donc tenter de vulgariser certains concepts et donner des exemples concrets sur leurs avantages.

D’abords et avant tout, il est important de définir les facteurs importants qui affectent la performance de tout type de roulement: la vitesse de rotation et la charge ( le poids appliqué sur le roulement ).

La Précision

Une bille plus ronde tourne naturellement plus facilement. Une bille de la forme d’un œuf ne serait pas très performante par exemple. Alors, est-ce possible de quantifier la rondeur d’une bille? Oui! L’échelle des grades nous est utile ici. Plus la bille est ronde, plus le chiffre est bas.

Les billes en acier de meilleure qualité sont habituellement de grade 25, quelques rares fois pouvant atteindre le grade 10. On arrive ici à la limite de ce que l’acier permet. En comparaison, on constate que les billes en céramique peuvent atteindre le grade 3! À plus grande ( vraiment beaucoup plus grande! ) échelle, si on imagine une bille de la taille de la planète Terre, le grade 3 permet des variations de 9600m, soit un peu plus que la taille de l’Everest à 8848m. Le grade 25? 24000m soit plus haut que la montagne la plus haute du système solaire, le Mont Olympe sur Mars…

Comme une image vaut mille mots, voici un comparatif entres des billes d’acier et de céramique ( les deux ayant plusieurs milliers de kms dans le corps ).

On voit clairement la surface plus lisse sur la bille de droite ( céramique ). On peut individuellement voir les LEDs du microscope. Les réflexions des luminaires à notre plafond sont aussi plus claires.

On peut voir d’ailleurs l’avantage des roulements en céramique dans des applications à plus haute vitesse de rotation comme démontré par les graphiques suivants (à gauche pour les billes en acier, à droite pour les billes en céramique).

À titre indicatif, les roulements des moyeux tournent à 320rpm lorsque le vélo avance à 40km/h, donc moins rapide que dans bien des applications, mais assez rapide pour que l’impact se fasse sentir.

La dureté

La charge appliquée sur un roulement aura un impact significatif sur sa performance. Plus les billes résistent à la déformation sous la charge, plus elles sont en mesure de rouler facilement. C’est ici que se trouve le plus grand avantage des roulements en céramique. Sur l’échelle Rockwell, les bons aciers sont de dureté HRC60 et les céramiques sont de HRC78, soit environ 30% plus dur.

Une bonne façon de comprendre l’effet de la dureté d’une bille sur le roulement est d’imaginer mettre son poids sur une balle de tennis et tenter de la faire rouler. On gaspille beaucoup d’énergie à compresser la balle. Si on tente la même expérience avec une boule de billard, on comprend tout de suite que le résultat ne sera pas le même.

Au niveau du roulement de pédalier, la vitesse de rotation ( 90 à 120rpm ) c’est pas très élevée, mais la charge appliquée sur les roulements est nettement supérieure. La dureté a alors un effet important dans la performance de ce type de roulement.

La durabilité

La durée de vie des roulements en céramique est une questions qui revient aussi souvent. Le principal avantage des roulements en céramique est que les billes sont plutôt chimiquement inertes, donc elles ne rouillent pas. Aussi, puisqu’elle conservent leur dimensions peu importe la charge et qu’elles sont plus précises, elle sont moins abrasives sur les cuvettes.

À titre d’exemple, voici un roulement de pédalier ayant 22 000km dans le corps, fraîchement nettoyé dans un bac à ultrason. Selon notre expérience des dernières années, les roulements F1 Ceramic tendent à durer de 3 à 5 fois plus longtemps que les roulements en acier de qualité. Cette étude scientifique parle de 4 fois plus longtemps, malgré des conditions d’opération nettement plus difficiles!

Un essais vaut mille mots

C’est bien tout ces chiffres, mais rien ne vaut un essais routier pour en voir les bénéfices. Nous avons plusieurs paires de roues démo, toutes équipées de roulements F1 Ceramic. Passez nous voir si vous voulez voir par vous même!