Cadre (Vélo)

Cadre (vélo)

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Le cadre d'un vélo est l'élément assurant la liaison entre les principaux éléments du deux-roues. Il est généralement constitué de deux triangles :

• Le triangle avant se charge de lier le pédalier avec la fourche et la selle.
• Le triangle arrière relie le pédalier et la selle à la roue arrière.

Détails d'un cadre de VTT
A : Tube Horizontal
B : Tube diagonal
C : Tube vertical
D : Haubans (un de chaque coté de la roue)
E : Bases (une de chaque coté de la roue)
1 : Boitier de pédalier
2 : Tige de selle
direction
4 : Axe de la roue arrière

Matériaux

Les matériaux employés pour la constitution d'un cadre de vélo sont divers, suivant les utilisations recherchées et les contraintes (notamment de coût), mais se rapprochent généralement de ceux utilisés en aéronautique, l'objectif dans les deux cas étant d'obtenir une structure légère et résistante.

Les qualités d'un matériau déterminent son intérêt pour la constitution d'un cadre :

• Sa densité désigne la masse du matériau par unité de volume.
• Son module d'élasticité affecte en théorie le confort de pilotage et l'efficacité de la motricité, même si dans la pratique le confort est lié à d'autres composants plus efficaces, comme la selle ou les pneus.
• Sa limite d'élasticité détermine quelle force est nécessaire pour provoquer une déformation permanente du matériau
• Sa limite de fatigue donne la durabilité du cadre lors de l'encaissement des contraintes liées au pédalages ou aux sauts.

Pour les cadres métalliques, il s'agit toujours d'alliage de différents métaux avec le métal principal, en vue de leur apporter (ou renforcer) certaines propriétés.

Acier

L'alliage d'acier est le matériau le plus basique pour la composition d'un cadre. Il est élastique, rigide, facile à travailler, et relativement peu coûteux, mais est en contrepartie plus dense que la majorité des autres matériaux.

Dans le domaine des tubes, l'utilisation de tubes butted réduit le poids mais engendre un coût de fabrication plus élevé. Les tubes butted sont des tubes dits "à épaisseur variable" dont l'épaisseur de la paroi varie pour être plus importante sur les extrémités du tube (pour la rigidité) qu'en son centre (pour le poids).

Liaisons

Article détaillé : cadre en acier manchonné.

Classiquement, des tubes circulaires en acier sont utilisés, reliés entre eux par des manchons, avec lesquels ils sont brasés. Ces manchons sont de fines pièces d'acier destinées à maintenir les tubes entre eux. On retrouve des manchons à chaque connexion de tubes. Historiquement parlant, la faible température nécessaire au brasage de l'ensemble a une faible incidence sur les caractéristiques mécaniques des tubes, ce qui autorise l'usage de tubes relativement fins et légers sans perte de solidité. Un cadre "manchonné" peut être facilement réparés grâce à leur construction simple. De plus, comme les tubes d'aciers sont soumis à des phénomènes d'oxydation, ils sont rapidement remplacés sur ces types de cadres sans engendrer de dommages sur les tubes voisins.

Les récentes avancées dans le domaine de la métallurgie ont permis le développement de tubes peu sensibles aux chocs de températures, ou dont les propriétés ont été spécialement créées à partir de changements de températures lors des phases de fabrication, et qui supportent dès lors des formes de soudures plus complexes comme le soudage TIG. Ces tubes peuvent être soudés entre eux sans utiliser de manchons. Au lieu de cela, les tubes sont soigneusement alignés et maintenus en place dans un support jusqu'à ce que la soudure entre ces différents tubes soit réalisée.

Nuances

Les cadres des vélos à bas prix sont constitués d'acier basique (à simple teneur en carbone, également appelé Mild_Steel), comme ceux utilisés par exemple dans la construction de véhicules ou d'autres objets communs.

Cependant, les cadres de qualité sont conçus avec des alliages d'acier très endurants (généralement de l'acier Chrome-Molybdène, communément appelé chromoly), qui donnent des tubes très légers possédant des parois extrêmement fines.

Un des alliages d'aciers les plus connu était le Reynolds "531", un alliage Manganèse-Molybdène. Reynolds et Columbus sont deux des fabricants de tubes les plus reconnus dans le domaine du cycle.

Pour des raisons de coûts, certains cadres de milieu de gamme utilisent des tubes de nuances différentes. Par exemple des tubes de haute qualité pour le triangle avant, et des tubes plus classiques pour le triangle arrière.

Aluminium

Les alliages d'aluminium sont moins denses et endurants que les alliages d'aciers (ratio d'environ 2/3). Contrairement aux alliages d'acier ou de titane, qui possèdent une limite d'élasticité élevée, ce qui leur donne une bonne tenue en fatigue, l'aluminium a une limite élastique plus faible. Ainsi, même les plus faibles contraintes issues d'une utilisation normale du cadre finiront par l'endommager si elles sont trop souvent répétées. Ce phénomène de fatigue du cadre est limité par une construction et une géométrie bien étudiée, associées à un travail des tubes adapté. L'aluminium a le gros avantage de permettre la construction de cadres plus légers.

La construction des cadres en alliage d'aluminium les plus populaires à l'heure actuelle font appel à des soudures TIG. Les cadres d'aluminium soudés sont apparus sur le marché que dans les années 1970, lorsque ces technologies de soudures sont devenues économiques pour des productions à grande échelle.

A diamètre égal, les tubes en aluminium sont moins rigides que les tubes en acier, mais également moins lourds. Pour compenser ce manque de rigidité, les tubes en aluminium ont un diamètre volontairement très supérieur à celui de leurs homologues en acier, ce qui donne des tubes dits Oversized. Cette augmentation de diamètre aboutit généralement à un cadre significativement plus rigide que ceux en acier. Cette rigidité n'est pas toujours un atout, puisque la légère flexibilité des cadres en aciers offre meilleur confort que ceux en aluminium. D'un autre côté, rigidité est synonyme de nervosité et de précision.

Les cadres en aluminium sont généralement facilement reconnaissables à leur légèreté face aux cadres en aciers, même si ce n'est pas systématique. Un cadre bas de gamme en aluminium peut être plus lourd qu'un bon cadre en acier. Les tubes Butted contribuent à obtenir des cadres plus légers. L'utilisation de profils spécifiques pour les tubes (ovales, carrés) et de formes travaillées (haubans cintrés) permettent d'avoir des cadres en alliage d'aluminium plus rigides et légers.

Titane

Le titane est certainement le métal le plus exotique et le plus cher qui est communément employé dans la construction des tubes de cadre. Il combine de nombreuses caractéristiques très recherchées, comme un très bon ratio solidité/poids ou une excellente résistance à la corrosion.

La relative rigidité du titane (quoique moitié inférieure à celle de l'acier) permet d'employer dans la majorité des cas des tubes de diamètre correct, même si des tubes de diamètre supérieur permettent d'améliorer significativement cette rigidité.

Beaucoup d'alliages de titane et mêmes des tubes spécifiques ont été originellement conçus pour l'industrie aérospatiale.

Fibre de carbone

La fibre de carbone, matériau composite, est le seul matériau non métallique utilisé couramment dans la fabrication des cadres de vélo. Malgré son prix important, la fibre de carbone est très légère, résiste à la corrosion, est très résistante, et peut être formée dans presque toutes les formes désirées. Le cadre est alors profilé et élaboré précisément pour une rigidité maximale sur la répartitions des efforts, alors qu'il sera flexible sur d'autres sections (pour le confort et une meilleure motricité). Les cadres en tubes de fibre de carbones peuvent même employer des tubes ayant des propriétés différentes (rigidité suivant un effort donné) en fonction des efforts qu'ils devront supporter. Cette conception de tubes composites ayant des propriétés variantes suivant l'orientation de l'effort ne peut pas être reproduite avec des alliages ferreux.

Certains cadres en fibre de carbone utilisent des tubes cylindriques qui sont collés entre eux à l'aide de manchons, en utilisant un procédé semblable à celui employé pour les cadres aciers à manchons. D'autres cadres font appel à une construction monocoque, en une seule pièce.

Alors que ces cadres en matériaux composites sont excessivement légers et nerveux, ils ont une résistance aux chocs nettement inférieure aux cadres en métal, et sont donc plus sensibles aux dommages en cas de chute ou d'accident. Il parait également que la fibre de carbone soit sujet à un phénomène de fatigue.

De nombreux vélos destinés à la course ou aux triathlons utilisent une construction composite pour gagner en aérodynamisme (la forme du cadre peut être travaillée dans ce sens), qui même si le gain en poids devient perfectible, permet au cycliste d'atteindre des vitesses de pointe supérieures à celles de ses concurrents.

Géométries

Même si la majorité des vélos actuels sont munis d'un cadre construit autour de deux triangle (appelé parfois cadre en diamant), certains disposent d'une géométrie particulière pour pouvoir répondre à des contraintes biens spécifiques.

Cadre ouvert

Ce type de cadre, appelé aussi vélo de femme, ne dispose pas du tube supérieur horizontal sur le triangle avant, qui se voit remplacé par un tube courbé longeant le tube diagonal. Ce cadre est utilisé pour les vélo de villes, et sur quelques vélos tout chemin, pour lesquels la rigidité et la nervosité ne font pas partie des priorités contrairement à la facilité à monter sur le vélo. Il utilise majoritairement l'acier comme matériau, l'Aluminium étant trop sujet à la fatigue pour subir les efforts de torsion sur le tube diagonal.

Cadre B'Twin

Dérivé du cadre ouvert, ce cadre est développé par décathlon et reprend le principe de suppression du tube horizontal sur le triangle avant pour plus de commodité, le remplaçant par un tube spécifique dont l'encrage prend place d'un coté au niveau de la tige de selle, et de l'autre au milieu du tube diagonal. Ce cadre prend place sur le vélo tout chemin du constructeur, qui reprend le même nom. Il est réalisé en aluminium, et fait pour cela appel à un tube diagonal de section et de profil spécifique, étudié pour être en mesure de supporter les contraintes en torsion. Il faut avouer que ce type de cadre a un air de famille avec les tricycles de nos chères têtes blondes.

Cadre monopoutre

La construction d'un tel cadre se base comme son nom l'indique sur une poutre qui réalise une liaison directe entre l'axe de la roue arrière et le tube de direction à l'avant du vélo. Cette poutre peut avoir un profil assez particulier et atypique (H) pour la construction d'un cadre.

Apprécié en VTT pour sa rigidité exemplaire et son coté innovateur dans les années 1990, avec la démocratisation de l'aluminium, ce cadre tend aujourd'hui à disparaître pour laisser sa place à des géométries plus conventionnelles. Les raisons de sa disparition sont étroitement liées aux améliorations faites dans la maîtrise des tubes, qui offrent une rigidité comparable pour un poids bien inférieur.

Cadre suspendu

Le cadre suspendu s'est amplement démocratisé avec l'arrivée de solutions abouties à des tarifs abordables, tout en réussissant à contenir le poids dans une marge raisonnable. Les avantages liés à un cadre suspendu sont évidents : gain en confort, grâce à un filtrage des aspérités du terrain, et gain en motricité, en offrant un meilleur contact entre la roue arrière et le sol.

Au départ réservé à l'usage du vélo tout terrain, ce cadre se démocratise de plus en plus sur les vélo tout chemin.

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