La science derrière les rayons

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Les héros méconnus du vélo, nous pensons qu'il est temps que les rayons obtiennent le respect qui leur est dû

Ces minces brins de fil effectuent un travail sans relâche, étant étirés et comprimés à plusieurs reprises à chaque tour de nos roues. Ils transportent également les forces d'accélération du pédalage du moyeu à la jante et transmettent également les forces de freinage. Leur rôle dans le fait même que nous soyons capables de faire du vélo est presque magique - des brins si fins supportant des charges si énormes. Nous avons donc estimé qu'il était grand temps que l'humble rayon prenne un peu de crédit, où tout un chargement est dû.

'Le génie de la roue à rayons est qu'elle peut transférer les forces souvent très importantes créées par le cycliste, le vélo et les différentes surfaces de la route dans ces tiges minces, chacune étant systématiquement comprimée lorsque la roue tourne et que les charges sont transférées de l'un parlait à l'autre, et ainsi de suite », explique le professeur Mark Miodownik, directeur de l'Institute of Making de l'University College London, auteur de Stuff Matters, présentateur de télévision et passionné de cyclisme. Il poursuit: "C'est une belle façon d'optimiser le poids, le coût et les performances d'une roue."

Les rayons, une fois sous tension, renforcent essentiellement la jante en utilisant le moyeu comme ancrage central. Dans un scénario parfait, chaque rayon tire avec une tension égale pour répartir la charge uniformément sur toute la roue tout en maintenant la jante vraie et circulaire. Les rayons doivent soutenir la roue contre la flexion latérale et la déformation de la jante et également résister efficacement à l'écrasement de la roue par une charge verticale (compression radiale). Pas de petite tâche. Il n'est pas étonnant que depuis l'avènement de la roue, très peu d'autres solutions aient été explorées.

Tension des rayons

Dt Swiss a parlé
Dt Swiss a parlé

Maintenant, les choses commencent à devenir techniques, et vous ne serez pas seul si ce qui suit est un peu déroutant et contre-intuitif. Il y a un désaccord vigoureux sur la question de savoir si un vélo est en fait suspendu aux rayons supérieurs (ceux au-dessus du moyeu lorsque vous voyez le vélo de côté) ou s'il est plutôt soutenu par les rayons inférieurs, agissant comme de minuscules piliers."Ce dernier point de vue, aussi étrange que cela puisse paraître, est définitivement le cas", déclare Jim Papadopoulos du College of Engineering de la Northeastern University à Boston, aux États-Unis, et co-auteur de Bicycling Science.

Bien qu'il soit facile de croire qu'un rayon de vélo s'effondrerait simplement sous le poids du vélo et du cycliste, il poursuit en expliquant que la tension créée dans un rayon pendant le processus de construction de la roue (appelée "pré-tension") est ce qui permet aux rayons inférieurs de supporter la charge sans flamber, comme ils le feraient s'il n'y avait pas de pré-tension. «Chaque rayon de la roue non chargée a une tension de l'ordre de 100 lb [445N]. Lorsque l'essieu est pressé vers le sol avec une force de 100 lb, le seul effet significatif sur les tensions des rayons est de réduire celles directement sous le moyeu - généralement, on réduit à environ 50 lb et les rayons de chaque côté de celui-ci réduisent à environ 75 lb. C'est exactement ce que l'on verrait avec des rayons en bois massif comme une vieille roue de chariot - celui du bas porterait 50 lb et ceux de chaque côté porteraient 25 lb. La différence avec les roues à rayons métalliques est qu'un rayon métallique ne peut pas supporter une charge de compression - il s'effondrera. Ainsi, tous les rayons sont ingénieusement précontraints. Un câble ne peut pas supporter une charge de compression de 50 lb, sauf s'il supporte déjà une charge de tension supérieure à celle-ci.

« Bien sûr, une roue de vélo s'effondrera si les rayons supérieurs ou horizontaux sont retirés », ajoute Papadopoulos. «Mais c'est essentiellement parce que la structure modifiée a un chemin de charge très différent et est en outre incapable de fournir la pré-tension requise. Nous ne pouvons pas utiliser cet effondrement pour conclure que la roue typique transporte la charge à travers les rayons supérieurs. Si cela vous laisse tourner la tête, vous n'êtes pas seul. Passons donc au domaine plus simple du matériau des rayons.

Rayons en acier

fil de rayon
fil de rayon

Les rayons sont principalement en acier, un choix de matériau qui, comme nous le dit Miodownik, "se résume essentiellement à la capacité d'avoir un filetage fiable". Le fil d'acier est idéal car même avec une très petite zone de fixation, comme l'endroit où le mamelon maintient le rayon au niveau de la jante, vous pouvez mettre beaucoup de tension dessus sans dénuder le fil. L'acier inoxydable est le matériau idéal car il offre le bon mélange de haute résistance et de faible poids, tout en étant abordable.'

L'acier inoxydable est le métal de choix pour les rayons depuis la fin du 19e siècle en raison de sa grande résistance à la traction, qui permet aux rayons de rester relativement minces et légers tout en faisant face aux forces qui leur sont appliquées. "Les rayons en acier doux devraient être deux fois plus lourds et épais", explique Chris Hornzee-Jones, directeur des ingénieurs en structure d'Aerotrope. Il a conçu le VTT révolutionnaire en fibre de carbone Lotus et a travaillé sur l'une des plus grandes roues à rayons de tension jamais fabriquées - la structure de 60 m de diamètre suspendue sous le toit du Millennium Dome, utilisée comme plate-forme pour les artistes aériens. «En ajoutant du chrome et du molybdène au fer et au carbone de l'acier doux, l'alliage d'acier inoxydable résultant est beaucoup plus résistant à la fatigue.'

La fatigue est l'ennemi juré des rayons. Si vous pensez que vos quads sont mis à rude épreuve à plusieurs reprises par la répétition de vos coups de pédale, alors plaignez vos rayons, qui sont martelés à chaque tour de roue. Chaque rayon de la roue n'est soumis à une charge de compression que pendant la fraction de seconde où il se trouve directement sous le moyeu, et pendant ce moment, il est comprimé avant que la pression ne se relâche et qu'il puisse reprendre sa longueur normale. C'est un cycle implacable qui peut être la perte d'une roue mal construite, littéralement.

mamelon à rayons
mamelon à rayons

'Une roue est comme un tapis roulant fatigant pour les rayons, ce qui est d'autant plus difficile pour eux qu'un fil a été ajouté à une extrémité et [dans la plupart des cas] un coude et/ou une tête à l'autre,' dit Hornzee-Jones. « Le fil est un concentrateur de contraintes et le transfert de charge se produit principalement à travers les premiers fils. De plus, le mamelon est relativement rigide et, comme il essaie de s'asseoir perpendiculairement à la jante, il s'aligne rarement parfaitement avec l'angle auquel le rayon arrive, ce qui peut être la cause d'une contrainte concentrée supplémentaire. À l'autre extrémité, le coude en J fléchit minutieusement et, après des centaines de milliers de rotations de roue normales, de minuscules défauts de surface, d'une profondeur de seulement quelques microns et complètement imperceptibles à l'œil humain, peuvent commencer à s'ouvrir. C'est un processus lent au début, mais cela finira par entraîner une rupture de rayon. '

Rayons en aluminium

L'acier n'est cependant pas le seul matériau utilisé pour les rayons. Mavic et Campagnolo (ainsi que la société sœur de Campagnolo, Fulcrum) sont depuis longtemps les défenseurs des rayons en aluminium. L'aluminium a un tiers de la densité de l'acier mais environ un tiers de la rigidité aussi, donc les rayons doivent être plus épais, ce qui signifie qu'ils sont potentiellement moins aérodynamiques, nécessitent des écrous de plus grand diamètre et, par conséquent, des trous plus grands dans les jantes, ce qui peut réduire la résistance et la rigidité de la jante. Les rayons en aluminium ont également tendance à utiliser une conception à traction droite, car un coude en J en aluminium serait très susceptible de tomber en panne sous contrainte.

Une autre limitation est que l'aluminium ne tient pas un fil aussi facilement. La solution de Mavic consiste à enfiler les écrous directement dans la jante, plutôt que sur le rayon. Campagnolo suggère de choisir des rayons en aluminium qui pèsent le même poids que les versions en acier, mais en comparaison améliorent la sensation de conduite de ses roues, mais c'est une question largement subjective dans laquelle les rayons ne jouent qu'un rôle, avec des pneus, des jantes et des moyeux également des acteurs importants, sans parler du reste du vélo.

Compte tenu des diverses contraintes subies par les rayons, la fibre de carbone peut ne pas sembler être un choix probable, mais Mavic, ainsi que plusieurs autres marques de roues haut de gamme, telles que Lightweight et Reynolds pour n'en nommer que deux, ont trouvé des moyens pour exploiter sa résistance à la traction dans les rayons, avec des économies de poids évidentes à gagner. Le R-Sys SLR de Mavic, par exemple, utilise des tubes creux en carbone pour assurer la rigidité sous tension et la résistance à la compression."L'étirement des rayons est bien inférieur à celui de l'acier ou de l'alliage car le carbone est plus rigide", explique Michel Lethenet de Mavic. "Étant des tubes, ils résistent à la compression, ce qui aide à maintenir la rigidité de la roue, bien que certaines pièces métalliques soient nécessaires, qui sont collées à chaque extrémité pour réaliser les fixations au niveau de la jante et du moyeu." Une méthode alternative est utilisée dans Cosmic Carbone de Mavic. Ultimate, dans lequel les rayons en carbone à lames vont d'un côté de la roue à l'autre, se connectant à la bride du moyeu et croisant d'autres rayons en cours de route.

La vérité du spin

parlait en butant
parlait en butant

Il y a quelques autres idées reçues sur les vélos concernant les rayons que Peter Marchment, scientifique des matériaux et directeur de Hunt Bike Wheels, est heureux de dissiper. "Une roue utilisant une jante plus profonde avec des rayons plus courts est souvent considérée comme" plus solide ", mais cela est généralement dû à la rigidité supplémentaire inhérente à la jante", dit-il.«De plus, beaucoup de gens pensent qu'une tension de rayon plus élevée signifie que vous obtenez une roue plus rigide, mais ce n'est pas le cas. La rigidité de la roue est affectée par de nombreux facteurs en plus de la tension seule, y compris le nombre de rayons, l'angle de contreventement et la profondeur de la jante.

En fait, un rayon s'allongera de la même quantité lorsqu'il est chargé, quelle que soit la pré-tension appliquée, ce qui signifie que l'augmentation de la tension des rayons ne rend pas la roue plus rigide." Marchment poursuit: "Mettre les rayons sous la bonne tension est cruciale. À des tensions extrêmement élevées, la jante et les rayons sont plus susceptibles d'être endommagés car ils sont effectivement préchargés avec une force élevée. Mais les faibles tensions des rayons sont également un problème car le mamelon est plus susceptible de se détacher [se détendre] lorsqu'il est détendu par des impacts ou des vibrations de la route, ce qui fait que la roue se déforme. '

Quels que soient la tension et le motif, il existe une vaste gamme de rayons parmi lesquels choisir, sans parler des nombreuses variations dans la qualité du fil à partir duquel ils sont fabriqués. Sapim, l'un des principaux fabricants de rayons, produit 300 millions de rayons par an et magasine pour maintenir la qualité et rester compétitif sur l'ensemble de sa gamme de produits. « Soixante à 70 % du prix d'un rayon ordinaire peut être dans le matériau, il est donc important de bien faire les choses, mais la chose la plus importante pour tous nos rayons est la performance du fil », déclare le directeur des ventes de Sapim., Klaus Grüter. "Nous recherchons un fil brillant et brillant, avec une résistance à la traction de 1 000 à 1 050 N/mm2, avec de bonnes données de fatigue et, surtout, une excellente résistance à la corrosion."

Grüter nous dit que les échantillons sont testés en laboratoire pour la résistance à la traction, à la flexion et à la torsion. Une fois accepté, le fil des bobines est redressé à la machine et coupé. Le fil de calibre ordinaire peut également être transformé en rayons aboutés (où la partie centrale est rendue plus étroite) en tirant le fil à travers une filière. Une fois aboutés, la tête du rayon et le coude en J sont forgés et le fil à l'autre extrémité est roulé (pas coupé). Les rayons finis sont inspectés à la fois par des systèmes de vision artificielle et par l'œil et la main humains. Une machine est capable de fabriquer 20 000 rayons aboutés par jour, ce qui explique pourquoi les différents coûts de main-d'œuvre ont peu d'impact sur le prix d'un rayon fini et pourquoi les fabricants du monde entier peuvent vendre à des prix similaires.

rayon à lame
rayon à lame

Mais pourquoi écraser un rayon de toute façon ? Jonathan Day de Strada Wheels explique: «Les rayons aboutés sont meilleurs pour gérer le couple que la jauge ordinaire. Ils sont plus larges dans le plan de la roue, qui est la direction de la force de torsion, il y a donc plus de matière pour y résister. De plus, ils fléchissent un peu plus dans le plan perpendiculaire, ce qui leur permet de mieux répartir la charge de compression sur la roue.'

Modèle de rayons

Le motif de rayons traditionnel d'une roue de vélo comprenait 32 (ou parfois 36) rayons, croisés trois fois. Le motif entrelacé des rayons d'une roue traditionnellement lacée, loin d'être simplement un joli arrangement kaléidoscopique, est en fait une partie fonctionnelle de la conception de la roue.

En termes de rigidité latérale, les points d'intersection des rayons permettent à chacun de s'appuyer l'un contre l'autre lorsqu'il est mis sous tension, ainsi que de le soutenir lorsqu'il est comprimé. Le rôle le plus vital du motif de laçage à trois croix est dans une roue arrière, où les rayons doivent transmettre la puissance de pédalage du moyeu. Dans ce cas, les rayons sont chargés de charges de torsion beaucoup plus importantes grâce à la force de torsion de la transmission. Les rayons côté cassette, quittant le moyeu tangentiellement, transfèrent une force de rotation (couple) du moyeu vers la jante. Les rayons radiaux (qui suivent un chemin du centre du moyeu directement à la jante, sans en croiser un autre) sont beaucoup moins capables de faire face à ce type de chargement et seraient plus susceptibles de tomber en panne.

Lorsque le couple n'est pas un problème, comme sur une roue avant avec freins sur jante, l'utilisation de rayons radiaux est logique. Cela permet d'économiser du poids, car les rayons peuvent être plus courts et moins sont nécessaires pour créer une roue latéralement rigide. Ça a l'air bien aussi. Cependant, les freins à disque provoquent une charge de torsion importante, rendant le rayonnage radial pratiquement impossible. "Il est essentiel d'obtenir le bon motif de laçage, car les rayons partagent la charge de compression en se serrant contre les voisins qu'ils traversent, de sorte que les rayons doivent être lacés pour être des leaders ou des remorques", explique Day. «Vous devez vous assurer qu'un rayon principal supporte d'abord la tension du côté de l'entraînement. Sur une roue à 32 rayons, vous voulez que 16 rayons principaux se partagent la charge. Si vous vous trompez de laçage, vous vous retrouverez avec seulement huit personnes pour faire le travail.’

Remarquablement, les motifs de rayons sont restés l'un des aspects les moins contestés de la conception des roues, malgré des avancées considérables dans les matériaux et la technologie de fabrication au cours des dernières décennies. C'est une méthodologie vraiment éprouvée et comme le dit le dicton, si ce n'est pas cassé…

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