Jeu de direction

Description

Le jeu de direction permet la liaison entre la fourche et le cadre. Il peut être prévu pour une potence à plongeur ou une potence aheadset. La mode du VTT nous fait retrouver ces jeux de direction que les routiers avaient abandonnés à partir de 1955 au profit de sa concurrente. S'il est vrai que la potence aheadset permet un poids moindre, elle ne permet aucun réglage de la hauteur de potence.
Pour suivre la mode de la légèreté, le jeu de direction fileté a ainsi complètement disparu.
Le jeu est cependant toujours constitué de 2 roulements de type à billes ou à rouleaux.
Pour continuer à minimiser le poids, le jeu intégré a fait son apparition sur les vélos modernes revendiquant moins de 8 kg. Les jeux intégrés suppriment les cuvettes inférieures : le chemin de roulement est directement usiné dans la douille du cadre. Le poids s'en trouve allégé d'autant. En fait pas tout à fait, car la douille doit être plus épaisse pour que le chemin y soit usiné. L'épaisseur résiduelle est parfois tellement fine que sous les efforts cette douille se fendille au niveau de la cuvette inférieure. Second point négatif, si par défaut d'entretien le jeu n'est pas correctement serré, vous risquez de "biller" le chemin de roulement. Au lieu de changer la cuvette, vous n'aurez plus qu'à changer le cadre.
Les fabricants proposent dorénavant un système semi-intégré : la cuvette inférieure est réhabilitée mais elle est cachée dans la douille. Le poids en est augmenté mais le poids de la douille est diminué : le bilan total n'est pas forcément négatif.

Les roulements peuvent être à billes (dans une configuration du type cône cuvette), annulaire (bille dans une gorge profonde) ou à aiguilles (ou rouleaux).
le summum est de loin le roulement à aiguilles beaucoup moins sensible au billage et d'un entretien relativement facile.

Application au tandem

Pour augmenter la résistance de la fourche, son pivot aura un diamètre de 1"1/8 (28,6 mm).
Vu les risques énoncés plus haut, le tandémiste évitera les jeux de direction intégrés. Il conservera une solution classique de jeu non intégré avec des aiguilles (ou rouleaux) pour limiter le risque de billage.
En effet, compte-tenu du poids de l'équipage et de la vitesse possible, l'énergie cinétique est beaucoup plus importante que celle d'un vélo. Les efforts au niveau de la cuvette inférieure en sont donc supérieurs.
Il est nécessaire de s'assurer périodiquement de l'absence d'excès de jeu. Pour ce faire, à l'arrêt, il suffit de serrer le frein avant et de pousser le tandem. Si le jeu de direction est mal serré, vous ressentirez le déplacement angulaire de la fourche dans la douille.

Jeu de pédalier

Description

Le jeu de pédalier peut être classique : c'est à dire du type cône-cuvette ou à roulement annulaire.

Dans le premier cas, les billes roulent directement sur des portées usinées sur l'axe et à l'intérieur des cuvettes. Dans le second cas, ce sont des roulements issus des catalogues de l'industrie mécanique qui sont utilisés.

Type cône-cuvette
Les premiers ont l'avantage du poids : un minimum de pièces, mais les zones de contact au niveau des billes sont ponctuelles, impliquant des efforts de compression importants. De plus, les zones de contact sur la cuvette et sur l'axe n'étant pas disposées dans le même plan, les efforts sur les appuis génèrent un effort parasite axial. Ainsi l'effort imposé à la zone de roulement est accru d'environ 50 % et a tendance à pousser les cuvettes vers l'extérieur.

Roulement annulaire
Les seconds avec les roulement annulaires, par le biais des gorges profondes sur les pistes, répartissent mieux les efforts des billes. Ainsi, la compression est diluée. Les deux pistes de roulement étant dans le même plan, il n'y a pas non plus d'augmentation de la pression. Dernier point positif pour ces roulements, le serrage des cuvettes n'intervient pas dans le serrage des roulements. Ces jeux seront plus faciles à régler, plus doux et d'une longévité supérieure.

Le second point à prendre en compte lors du choix d'un jeu de pédalier est la longueur de l'axe. En effet, pour un triple plateau, il faut écarter le pédalier vers l'extérieur pour éviter de "scier" la base avec le petit plateau. Les jeux de pédalier sont donc disponibles avec des axes de longueur variable : 107, 110, 113, 116, 119 et 122 mm.
Il faut aussi que le type d'emmanchement de l'axe corresponde à celui des manivelles. A ce jour, trois standards sont disponibles : le carré ISO (International) , le carré JIS (Japonais) et les cannelures ISIS.
Pour les carrés, que ce soit ISO ou JIS, la pente est la même (4°10’), mais le bout du carré JIS est un peu plus gros que le bout du carré ISO. En conséquence, avec un carré ISO, il est impossible de serrer une manivelle JIS sur l'axe.
Le standard ISIS est plutôt réservé aux manivelles en composite. En effet un axe cannelé permet de limiter les contraintes dans la manivelle. Pour la petite histoire, il faut savoir qu'au Salon du Cycle en 1946, les bicyclettes Terrot présentaient déjà ce type d'emmanchement.

Pour finir vous pouvez choisir entre un axe en acier (acier pour traitement thermique à haute dureté du type 35NiCrMo16) ou en titane (alliage à hautes caractérisques du type Ti Al6V). Le gain de poids entre ces deux solutions pouvant être estimé à environ 25 grammes.

Application au tandem

Sur un tandem, un des deux jeux de pédalier subit des efforts considérables. En effet, celui qui est lié à la roue libre supporte les deux transmissions : la transmission secondaire vers la roue libre et la transmission primaire en provenance de son co-équipier.
Les forces en présence peuvent être schématisées comme suit :

Alors les efforts sur chacun des roulements des jeux de pédalier peuvent être estimés comme suit :

où

vaut 1 pour le roulement droit du côté du pignon ou -1 pour le roulement gauche
vaut 1 pour la transmission à gauche ou -1 pour la transmission en ligne,
vaut 1 pour la chaîne courte (dans ce cas, la formule vaut pour le pédalier arrière) ou -1 pour la chaîne longue (dans ce cas, la formule vaut pour le pédalier avant qui devient à son tour le pédalier le plus chargé).

Pour simplifier le calcul, comme l’avait fait le « mathématicien du vélo » : Carlo Bourlet, nous avons supposé que le pied dans le secteur remontant se contente d’accompagner la pédale. C’est à dire que la pédale opposée n’impose ni effort moteur ni passivité négative.
En appliquant les valeurs utilisées par Carlo Bourlet pour la puissance transmise à la pédale et la direction de l’effort sur la pédale (valeurs issues des données du Capitaine Perrache) et en mesurant la géométrie du pédalier sur un tandem, nous obtenons les valeurs suivantes :
a = 70 mm, pour la distance des plans de roulement des billes à l’axe de pédalier ;
b1 = 55 mm, pour la distance au plateau extérieur ;
b2 = 46,5 mm, pour la distance au plateau médian ;
c = 130 mm, pour la distance du milieu des pédales au milieu de l’axe ;
m = 170 mm, pour la longueur des manivelles ;
r1 = 68,7 mm, pour le rayon du plateau extérieur à 34 dents ;
r2 = 84,9 mm, pour le rayon du plateau extérieur à 42 dents ;
P1 = 981 N (soit 100 kgf), l’effort sur la pédale par le pilote ;
P2 = 981 N (soit 100 kgf), l’effort sur la pédale par le co-pilote.

Dans ce cas, l’application numérique donne les valeurs suivantes pour les efforts, exprimés en Newton, sur chacun des roulements du jeu de pédalier :

EFFORT SUR LES ROULEMENTS (en Newton)
Disposition	Chaîne relais	Roulement droit	Roulement gauche
Chaîne courte	A gauche	2500	2110
	En ligne	1450	1440
Chaîne longue	A gauche	2080	1820
	En ligne	3420	1520

Avec une chaîne longue, la transmission à gauche est donc préférable. Nous pouvons être soulagés car des générations de tandémistes, utilisant la chaîne longue, ont roulé avec cette configuration. Depuis une dizaine d’années, par contre, la chaîne courte a fait (ou refait) son apparition. Les chaînes plus flexibles et les roues libres avec toujours plus de dentures permettaient cet usage. Par contre, cette nouvelle habitude s’est faite sans conduire une réflexion sur la place de la chaîne primaire.
Les calculs nous démontrent l’intérêt pour le jeu de pédalier d’utiliser un montage en ligne avec ces chaînes courtes. La réduction des efforts mécaniques encaissés par les roulements est de 40 %. Et même par rapport à une chaîne longue montée à gauche, la réduction est encore de 30 %. La pire des solutions étant le montage en ligne avec une chaîne longue.
Ces données valent pour le jeu de pédalier qui doit subir directement les efforts. Mais il ne faut pas oublier que ces efforts sont retransmis directement au cadre par la boîte de pédalier. Ainsi les efforts de flexion visant à tordre le cadre seront moins importants avec une chaîne courte en ligne qu’avec les autres solutions.
Evidemment un tel montage en ligne utilise le plateau extérieur du triple plateau arrière. C’est le cas de figure qui minimise les efforts sur les roulements. Il ne reste donc plus pour la transmission que deux plateaux. Ceci peut être un handicap car la gamme de développements s’en trouve réduite. Cependant, à l’époque des roues libres à neuf vitesses, nous disposons avec notre double plateau de 18 vitesses théoriques (en pratique 14 vitesses). Une telle configuration avec uniquement un double plateau utilisable pour la chaîne secondaire est donc envisageable. Ce montage avec un double plateau est d’ailleurs utilisé par Gilles Berthoud sur son tandem de base et sur certaines de ses randonneuses.
Le premier calcul a été conduit avec un plateau de 34 dents. Celui-ci risque d’être de trop faible diamètre pour être monté en plateau extérieur. L’adoption d’un plateau de 40 ou de 42 se traduit malheureusement par une augmentation de 10 % de la charge sur les roulements pour la solution en ligne (mais par une diminution d’environ 15 % pour une chaîne courte à gauche).
La chaîne courte en ligne pourrait donc avoir une nouvelle vie. Elle présente aussi deux avantages, d’une part la réduction du poids par la suppression d’un pédalier avec plateau et d’autre part l’utilisation de manivelles standard. Dernier avantage, l’effort n’étant pas retransmis par l’axe mais directement au pédalier, il n’y a pas de perte de rendement pendant les relances. L’effort est retransmis directement sans la minime torsion de l’axe (estimable à 2°).

Mise à jour : 10.02.2006