.Étude mécanique de moyeux arrières BMX race.

1 Présentation

 

Objectif: Mesurer et comparer la déformation élastique de plusieurs systèmes d'engagement de moyeux arrières BMX race. Les deux systèmes étudiés sont : le système à cliquets et système à roulement unidirectionnel (sprag clutch).

 

 

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1.1 Préambule

 

Dans la pratique du BMX de race, le départ et les reprises de pédalage sont essentiels à la performance. Bien choisir le système d'engagement du moyeu arrière est primordial. Il doit offrir un engagement rapide et efficace. La réactivité d’un engagement est déterminé par l'angle d'engagement théorique, ainsi que par la déformation élastique du système sous les contraintes de pédalage. La somme de ces deux valeurs donne l’angle d’engagement réel du moyeu.

L’objectif de cette étude est de mesurer la déformation élastique propre aux différents systèmes selon plusieurs conditions de charge. Les données seront comparées pour déterminer quel système est le plus performant.

 

 

1.2 Dénomination

 

Il faut avant tout clarifier la nuance entre les deux appellations: "Engagement instantané" et "Engagement direct". Un engagement dit "instantané" est un engagement ayant lieu sous une échelle de temps courte mais non nulle. Un engagement dit "direct" est un engagement immédiat de temps nul.

Il est important de noter qu'en France, les différents distributeurs de moyeux équipés de roulement unidirectionnel communiquent ce système sous le terme : "engagement direct". Néanmoins, les fabricants respectifs de ces moyeux, utilisent quant à eux l'expression "engagement instantané". Il est donc raisonnable de penser que l'appellation "engagement direct" soit erronée et utilisée suite à une mauvaise traduction de l’anglais vers le français.

 

Pour bien comprendre ce qu'est un angle d'engagement, il faut différencier deux notions:

• L’angle d'engagement théorique ;

• L’angle d'engagement réel.

 

 

L'angle d'engagement théorique se calcule à partir de données techniques. Par exemple, à partir du nombre de points d’engagement effectif sur un tour complet (360 degrés). C'est aussi l'angle maximum pouvant être constaté lorsque le système est soumis à une force négligeable. Par exemple, en faisant tourner le corps de roue libre à la main ; cet angle se traduit en utilisation par un temps de latence qui retarde la transmission de puissance.

L'angle d'engagement réel est la somme de l'angle d'engagement théorique et de l'angle d'engagement issu de l'élasticité du système ; cet angle se traduit en utilisation par un temps de latence qui retarde la transmission de puissance et altère également la qualité du transfert de force. Une déformation élastique importante tend à réduire le rendement du système.

 

 

Angle réel = angle théorique + angle de déformation élastique.

 

 

1.3 Fonctionnement du système à cliquets

Le système d'engagement à cliquets est très commun. Le corps de roue libre possède un certain nombre de cliquets repliables selon une roue crantée appelée crémaillère, située dans le corps de moyeu (illustration 1). Le nombre de cliquets, leur mode de synchronisation et le nombre de dents dans la crémaillère déterminent l'angle d'engagement théorique maximum du système.

 

Illustration 1

 

De manière générale, plus il y a de cliquets désynchronisés les uns par rapport aux autres tout en le restant vis-à-vis de la crémaillère, plus l'angle de battement entre deux engagements est faible. En contrepartie, l'élasticité du système va augmenter car chaque cliquet devra subir davantage de charge et voir augmenter sa propre déformation. La forme, la largeur et la surface de travail des cliquets déterminent la propension du système à atténuer l'effet élastique.

 

La notion d'engagement maximum est importante pour ce type de système car en réalité, la moyenne de l'angle d'engagement est moitié moindre. Imaginons qu'un système offre 2° d'angle d'engagement théorique maximum ; ceci représente le mouvement de rotation libre sans engager le système. En effet, la vitesse de rotation du corps de roue libre devient supérieure à la vitesse de rotation du corps de moyeu(au moment exact où le cliquet est à l'extrémité de sa dent respective sans pour autant s'engager dans la dent suivante). Ainsi, le cliquet doit parcourir la distance maximale possible avant d'engager le système définitivement. Cependant, en pratique, l'angle oscille entre 0° et 2° de manière équiprobable. Ce qui permet alors de déterminer une moyenne de 1° d'engagement virtuel.

 

Caractéristiques principales:

• Système non silencieux ;

• Système ayant une friction variable selon les caractéristiques ;

• Système ne pouvant pas se désengager ;

• Système peu sensible à la pollution (sable, poussière, eau, etc.) ;

• Système fonctionnel même en ayant un ou plusieurs cliquets défaillants.

 

 

1.4 Fonctionnement du système à roulement unidirectionnel

 

Le système d'engagement à roulement unidirectionnel est principalement représenté par les moyeux de marques: Onyx Racing et SD (Super Duper). Les deux marques proposent un système strictement identique qui fonctionne avec un roulement unidirectionnel à cames. En anglais : « Sprag clutch ».

Le système comporte:

• Un axe central, l’arbre;

• Sur le pourtour, une cage en acier ;

• Entre les deux, un nombre défini de cames pouvant se coucher et se redresser.

Le contact et le mouvement de redressement des cames sont assurés par un ressort circulaire (illustration 2).

Lorsque la vitesse de rotation du corps de moyeu est supérieure à la vitesse de rotation du corps de roue libre, alors les cames se couchent et libèrent l'arbre central, le système est en roue libre.

À l'inverse, lorsque la vitesse de rotation du corps de roue libre devient supérieure à la vitesse de rotation du corps de moyeu, les cames se redressent et pincent l'arbre pour empêcher la rotation, le système s’engage.

 

Illustration 2

 

 

Il n'est pas complètement faux de dire que l'angle d'engagement théorique de ce type de système est "direct", car selon les données des constructeurs, l'angle d'engagement réel des roulements unidirectionnels est essentiellement déterminé par le couple de force exercé sur ce dernier. Ceci veut dire que l’angle d’engagement réel est en quasi totalité issue de la déformation élastique du système.

Concrètement, lorsque l’on fait tourner ce type de système à la main, on ne ressent aucun temps de battement entre différents crans. Le système possède en théorie une infinité de points d’engagement, donc une infinité de positions effectives.

Caractéristiques principales:

• Système silencieux ;

• Système ayant une faible friction ;

• Système pouvant se désengager (décrocher) sous certaines conditions ;

• Système sensible à la pollution (sable, poussière, eau, etc.) ;

• Système dysfonctionnel dès une ou plusieurs cames défaillantes.

 

 

2 Protocole

2.1 Le banc de test

Pour réaliser l'étude, un banc de test a été spécialement conçu à l’aide de tubes aluminium profilés. Il se présente par un ensemble cadre/fourche solidement fixé sur le support (illustration 3).

 

Illustration 3

2.2 Méthode d’application de la force

 

La force appliquée sur les moyeux passera à travers une transmission traditionnelle de vélo; à savoir un pédalier, une couronne, une chaîne et un pignon (illustration 4).

Afin de réduire au maximum les déformations parasites sur le cadre, les deux manivelles du pédalier seront mises face à face et reliées entre elles à l'aide d'une tige filetée en acier de diamètre 10mm. Un tensiomètre relie la tige filetée au support via un tendeur afin de contrôler et ajuster manuellement la force exercée sur le pédalier. La force exercée sera affichée en direct sur un cadran numérique en Kgf.

 

 

Illustration 4

 

 

2.3 Fixation du corps de moyeu

 

Pour ne pas mesurer de rotation parasite, le corps de moyeu doit être le plus contraint possible. Il sera fermement fixé au cadre via un disque de frein afin d'empêcher toute rotation. Pour l'expérience, nous admettrons que la déformation élastique du disque de frein et du corps de moyeu est équivalente sur les deux moyeux testés(illustration 5).

Pour davantage d’équité, la fixation du disque de frein sur le moyeu à cliquets, sous le standard Shimano « centerlock » a été modifiée afin de s’approcher au mieux du système de fixation « ISO 6 vis » du moyeu à roulement unidirectionnel. C’est-à-dire que le même disque de frein sera vissé à l’aide de 6 vis de fixation sur un adaptateur, lui-même vissé sur le moyeu afin de supprimer tout mouvement de rotation parasite. Le disque de frein est immobilisé à l’aide d’un frein hydraulique actionné et d’un axe de butée directement pris sur le cadre et le disque. Le système sera préalablement mis sous contrainte afin d’anticiper et de supprimer les possibles mouvements de tolérance.

Le cadre possède un système de fixation d’étrier de frein en montage direct ; l’objectif étant de supprimer toute rotation parasite que pourrait générer une fixation d’étrier via une plaque prise entre le cadre et le moyeu.

 

 

Illustration 5

2.4 Méthode de mesure de la déformation élastique

 

Relié au corps de roue libre, un inclinomètre numérique haute précision mesurera la différence d'angle du système entre la position de repos et la position lorsque mis sous contrainte. La différence sera affichée sur un écran numérique en degré. (illustration 6 et 7)

 

Avant chaque série de mesures, les outils seront réinitialisés ; une série est une suite de 5 mesures prises instantanément à des charges prédéterminées lors d’une mise en contrainte progressive de 0Kgf à 110Kgf. Chaque série sera réitérée 5 fois afin de réduire le risque d’erreur de mesureou d’étalonnage défaillant. Si le cas se présente, une série supplémentaire sera réalisée jusqu'à obtenir 5séries de résultats valides.

 

Les mesures seront réalisées avec 5 conditions de charge:

• Pour une force appliquée de 30Kgf ;

• Pour une force appliquée de 50Kgf ;

• Pour une force appliquée de 70Kgf ;

• Pour une force appliquée de 90Kgf ;

• Pour une force appliquée de 110Kgf .

 

 

N.B: Lors d'un départ, un pilote peut régulièrement exercer une force en Kgf supérieure à 150% de son propre poids; les pilotes les plus puissants peuvent pousser cette valeur à environ 220% de leur poids.

 

 

Illustration 6

 
Illustration 7

 

 

2.5 Données techniques de la méthodologie

 

Matériel testé: Un moyeu neuf de chaque système (illustration 6 et 7).

 

Outil de mesure,le tensiomètre:

• Charge maximale: 250Kg

• Précision: 50g

• Résolution: 5g

 

Outil de mesure,l’inclinomètre:

• Précision: 0.1° (degré)

• Résolution: 0.01° (degré)

 

Serrage des vis moyeux: 30 Nm

Serrage des vis du disque de frein: 8Nm

Serrage de l’écrou de pignon: 30Nm

Tension de chaîne: Afin d’obtenir une tension de chaîne identique, la chaîne sera coupée au plus juste et le recul de roue sera positionné en butée maximale arrière.

 

 

3 Résultats de tests

3.1 Résultats des prises de mesures

 

Tableau 1: Résultats en degrés

  

Figure 1

Figure 2

 Figure 3

  

 

         

 

 

3.2 Fluctuation de l’angle d’engagement

 

Il a été observé que dans le cas du moyeu à roulement unidirectionnel, la valeur indiquée par l’inclinomètre est fluctuante et en évolution positive dans le temps. À la fin de chaque série, lorsque la tension de charge est stabilisée à 110Kgf, la valeur d’angle augmente lentement. En parallèle, la valeur de tension de charge affichée diminue.

 

 

3.3 Angles résiduels

 

Lorsqu’une série vient d’être mesurée, la tension est remise à zéro progressivement. Il a été observé que dans le cas du moyeu à roulement unidirectionnel, la valeur de l’inclinomètre ne revient pas totalement à zéro. Sur toutes les séries, on constate un angle résiduel compris entre 0,30 et 0,33 degré.

Suite aux mesures du moyeu à cliquets, ce même angle résiduel est affiché entre de 0,00 et 0,02 degré. Ces valeurs rentrent dans la tolérance de mesure de l’inclinomètre et sont à considérer comme négligeables.

 

 

4 Analyse des résultats

4.1 Analyse de l’élasticité

 

Les mesures mettent en évidence une élasticité sensiblement supérieure pour le moyeu à roulement unidirectionnel (figure 3). Le système à roulement unidirectionnel affiche un niveau d’élasticité entre +672% et +438% à celui du système à cliquets (figure 4). La tendance est décroissante à l’augmentation de la charge effective.

 

 

Figure 4

Aussi bien pour le système d’engagement à cliquets que pour celui à roulement unidirectionnel, les courbes de déformations élastiques semblent avoir une évolution linéaire au-delà de 30Kgf appliqué (figure 2). Néanmoins, la différence entre les deux courbes croît dans le cadre des charges testées. Cette évolution montre que plus la force exercée sur le moyeu est élevée, plus le système à cliquets est avantagé.

 

 

4.2 Analyse du glissement du système à roulement unidirectionnel

 

L’observation des outils de mesures lors des tests avec le moyeu à roulement unidirectionnel montre une fluctuation de valeur dans le temps, et un angle résiduel lors de la remise à zéro de la charge.

Ces deux phénomènes peuvent s’expliquer par un glissement des cames sur l’arbre lorsque le système est en charge. Par conséquent, la valeur de la charge diminue au fur et à mesure que le glissement s’opère. Ce glissement altère de manière équivalente le décalage par rapport à l’angle de référence déterminé avant la prise de mesure.

Néanmoins, les valeurs de décalage d’angle directement induites par ce glissement ne suffisent pas à expliquer l’intégralité de l’angle résiduel constaté après remise à zéro de la charge.

Il serait logique de penser que cet angle résiduel correspond en réalité à un angle théorique du système qui est mis en évidence dès qu’il est soumis à une force de quelques Kgf. Concrètement, cet angle pourrait être l’angle de rotation minimal nécessaire pour que les cames se redressent sur l’arbre.

Lien>>> Source: Informations du fabricants des roulements unidirectionnels

 

 

4.3 Remarques

 

Il est important de souligner que les valeurs précédentes peuvent directement s’appliquer à l’instant de départ des courses, lorsque le vélo passe de l’état d’immobilité à l’état de déplacement. Au départ, les systèmes sont préalablement engagés, ainsi l’angle d’engagement théorique ne rentre pas en compte dans ce cas précis. Il faut aussi noter qu’une force positive est déjà appliquée sur la manivelle antérieure quand le pilote se positionne sur la grille de départ. Cette force dépend directement de l’équilibre du pilote et de la répartition de sa masse.

Ces valeurs sont aussi applicables pour toutes les phases d’accélération induites par le pédalage. Néanmoins, il est impératif de noter que dans ce cas, les forces exercées sont sensiblement réduites car le vélo est déjà en mouvement.

 

 

5 Détermination du système le plus réactif à la reprise du pédalage

5.1 Face à différents systèmes à cliquets (cas 1)

 

Il a précédemment été expliqué que l’angle d’engagement théorique d’un moyeu à cliquet, c’est-à-dire l’angle d’engagement sans prendre en compte la déformation élastique du système, possède une valeur maximale. Celle-ci est déterminée par l’instant où la vitesse de rotation du corps de roue libre dépasse celle du corps de moyeu juste avant que le cliquet engage la dent de crémaillère suivante.

Nous allons confronter différents moyeux à cliquets disposant d’un nombre de points d’engagement allant de 120 points (120 PoE) à 288 points (288 PoE)(figure 5). Les courbes suivantes prennent en compte l’angle d’engagement théorique maximal respectif à chaque moyeu, ajouté à l’angle d’engagement causé par la déformation élastique (figure 2). L’angle d’engagement réel maximal des moyeux est comparé à celui du moyeu à roulement unidirectionnel.

 

 

Figure 5

L’analyse des courbes met en évidence la valeur de force exercée où chaque moyeu à cliquets devient plus efficace qu’un moyeu à roulement unidirectionnel (figure 5).

Par exemple, on peut observer que dans ce cas numéro 1, un moyeu à cliquets avec 120 points d’engagement devient plus efficace aux alentours de 80Kgf.

 

 

5.2 Face à différents systèmes à cliquets (cas 2)

 

En utilisation réelle, l’angle d’engagement théorique d’un moyeu à cliquets, est en moyenne moitié moindre que l’angle maximal possible.

Selon les mêmes moyeux à cliquets précédents; les courbes prennent en compte l’angle d’engagement théorique moyen, ajouté à l’angle d’engagement causé par la déformation élastique (figure 6). L’angle d’engagement réel moyen des moyeux est comparé à celui du moyeu à roulement unidirectionnel.

 

 

Figure 6

L’analyse des courbes met en évidence la valeur de force exercée où chaque moyeu à cliquets devient plus efficace qu’un moyeu à roulement unidirectionnel (figure 6).

Par exemple, on peut observer que dès 30Kgf de pression tous les moyeux à cliquets de l’exemple sont plus efficaces que le moyeu à roulement unidirectionnel.

 

 

5.3 Remarques

 

Il est important de rappeler que ces valeurs sont uniquement applicables lors des reprises après un arrêt de pédalage. Comme vu précédemment, il faut noter que les forces exercées sont moindres car le vélo est déjà en mouvement.

 

 

6 Conclusion

 

L’étude comparative de l’élasticité des deux systèmes d’engagement montre un avantage indéniable pour le système à cliquets. La différence observée est de l’ordre de 672% à 438% selon la force exercée sur le système, à l’avantage du moyeu à cliquets. Cette différence se traduit par un gain de réactivité pour ce dernier.

L’élasticité du système à roulement unidirectionnel est directement induite par le système mécanique qui l’anime. Il utilise la friction de contact entre deux surfaces pour transférer le couple. Néanmoins, il est très sensible à la déformation élastique de ces surfaces. Cette élasticité se manifeste par une sensation d’amorti et de douceur sous la pédale, où il est difficile d’estimer à quel moment le transfert de couple a lieu. Cette déformation élastique relativement importante et l’effet de glissement observé, altèrent négativement le rendement du système aussi bien lors de la phase de départ, que lors des phases d’accélération.

Lien>>> Source: Informations du fabricants des roulements unidirectionnels

Quant à lui, le système à cliquets possède un temps de latence variable lors des reprises de pédalage. Cependant, ce temps est largement compensé par une faible élasticité lorsque les cliquets sont engagés dans leurs crans respectifs. La compensation est suffisante dès lors que le moyeu possède un nombre de points d’engagement suffisamment important. Les systèmes à cliquets offrent un bon transfert de couple durant les phases de départs par l’absence de glissement.

Ces résultats sont à pondérer en fonction des moyeux utilisés. Les moyeux testés sont des moyeux haut de gamme, neufs, et ne reflètent pas l’intégralité du marché. Le comparatif face aux moyeux avec différents points d’engagement a été établi avec des moyeux virtuels en admettant qu’ils possèdent une élasticité identique à celle mesurée lors de l’expérience. Il est possible que dans certains cas, des moyeux à cliquets offrent une élasticité différente, aussi bien positivement que négativement. Il en va de même pour le moyeu à roulement unidirectionnel.

Pour rappel, l’objectif de cette étude n’est pas de dénigrer tel ou tel système. L’efficacité générale d’un moyeu n’est pas uniquement déterminée par son angle d’engagement réel. L’étude vise à comparer deux systèmes très différents et de définir la réalité ou non, du terme "engagement direct", que l’on entend régulièrement dans le monde du BMX de race.

 

 

7 Crédits

Étude réalisée par la société JF BIKES SAS. La société JF BIKES SAS produit et vend des moyeux BMX avec engagement à cliquets.

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