Défis de conception

Direct drive bike 4

Le défi de conception du vélo couché

La position de la roue avant d’un vélo couché est un vrai défi pour le concepteur. En position couchée, les pieds du cycliste sont à l’avant, positionnés là où la roue avant serait la mieux située. Du point de vue conception, ceci produit un conflit entre l’emplacement idéal de la roue avant et l’emplacement des pédales sur le cadre du vélo. Ce conflit a dicté le concept de vélo couché, et a mené à une catégorisation des types de vélo couchés couramment sur le marché (Stegmann (2002)). Le vélo couché à long empattement (LWB) évite qu’il y ait interférence entre la roue avant et les pédales en plaçant la roue avant devant les pédales; celui à empattement court (SWB) le fait en positionnant la roue avant derrière les pédales; et le modèle compact à empattement long (CLWB) en positionnant les pédales au-dessus de la roue avant. Le tricycle couché de type ‘’Tadpole’’ répond au conflit en ayant deux roues avant, une de chaque côté des pédales.

La solution à entraînement direct

Le vélo couché à entraînement direct transforme ce problème d’interférence roue/pédales en une solution. Puisque les pédales sont à leur meilleure position lorsqu’elles sont à l’emplacement idéal de la roue avant, pourquoi ne pas simplement entraîner cette roue directement avec les pédales? En attachant des leviers, manivelles, pédales, et une transmission à moyeu à l’essieu avant, le problème de conception est résolu. En plus, la longue chaîne encombrante est éliminée.

Cependant, pour concevoir un vélo couché à entraînement direct efficace, il est nécessaire de bien comprendre comment la force exercée sur la pédale affecte la direction et les meilleures pratiques de conception permettant de remédier à ces effets.

Idées fausses de force à la pédale

La force de la pédale affecte la direction parce que le pédales sont montées sur l’axe de pédalier situé à même la roue avant qui tourne avec le guidon. Ceci s’appelle un vélo à jeu de pédalier mobile (MBB – Moving Bottom Bracket). Les forces des pédales doivent être contrecarrées par le cycliste à même

le guidon. Un cadre rigide situé entre le siège et les pédales est perçu par les concepteurs de vélos comme étant vital pour un pédalage efficace, conséquemment, l’idée d’avoir un pivot de direction entre le siège du cycliste et les pédales est rejetée par la plupart des concepteurs de vélos, le tout étant jugé comme inefficace. Cependant, un cycliste applique fréquemment une grande force au pédalier alors qu’il se tient debout tout en résistant à la force appliquée en se servant du guidon. Donc, un cadre rigide entre le siège et les pédales n’est peut-être pas si vital. De plus, la force de pédalage vraiment retransmise au guidon n’est pas si grande.

Les meilleures pratiques de conception

Pour répondre à ce deuxième obstacle, le propriétaire de Vélotégra a étudié la réaction de la force de pédalier et de la manutention de vélos couchés à entraînement direct (Garnet (2008)). L’étude recommande une conception cadre-fourche optimale afin de réduire la réaction de la force de pédalier, d’obtenir une manutention améliorée et l’augmentation de la convivialité pour l’ensemble du vélo. Avec cette géométrie recommandée, la force de pédalier qui est retransmise à chacune des mains du cycliste peut être aussi faible que 12 pourcent de la charge totale appliquée au pédalier. L’étude met en lumière les aspects de conception suivants :

Guidon : Le guidon est à son meilleur emplacement lorsqu’il est positionné plus haut que le siège, le cycliste ayant les bras étirés vers l’avant, donnant aux bras le plus grand avantage mécanique. Une allure inversée en V ou en W du guidon fournie le plus grand effet de levier possible aux bras du cycliste pour une largeur hors-tout donnée, tout en assurant le dégagement nécessaire pour les genoux.

Angle optimal de la tête : Incliner l’angle de la tête réduit le retour de force du pédalier. Cependant, cela n’est pas dû à un rapprochement de l’axe de direction avec les forces appliquées par les pédales. Au contraire, cela est dû à une augmentation du décalage de la fourche qui donne aux forces latérales externes de pédalier une plus grande influence en annulant les forces principales de pédalier. Cependant, il y a des difficultés de manipulation avec les angles de têtes peu prononcés, de sorte que ceux-ci ne doivent pas être trop faibles. L’étude indique que bien qu’il existe un avantage à réduire l’angle de tête, il n’y en a aucun en le diminuant en deçà de 56 degrés par rapport à l’horizontale.

Hauteur de la selle : Augmenter la hauteur de la selle réduit le retour de force du pédalier en alignant les forces du pédalier plus étroitement avec l’axe de direction. À condition que les bras du cycliste demeurent au même angle (c.-à-dire, à condition que le guidon soit élevé à la même hauteur que la selle) il n’y aura aucune perte correspondante à l’influence des bras. Cependant, la selle ne doit pas être élevée au point de perdre le confort de la conduite couchée. Les pieds doivent toujours être capables de toucher le sol fermement sans que le coussin de la selle ne soit trop enfoncé, et le centre de gravité doit demeurer suffisamment bas afin d’éviter que le cycliste ne soit projeté par-dessus le guidon en cas de freinage complet. Tout cela signifie que pour un cycliste mesurant environ 1.8m (6pieds), la hauteur de la selle ne doit pas être de plus de 560mm (22 pouces).

Le parcourt : Le parcourt est la distance mesurée à partir de l’axe de direction jusqu’au point de contact de la roue avant avec le sol. Le parcourt amène la roue avant à se diriger dans la direction de l’inclinaison du cadre, rétablissant l’équilibre immédiatement – même si le vélo est conduit en mains-libres. La longueur du parcourt détermine la rapidité avec laquelle la conduite réagit à une inclinaison du cadre du vélo. Avec un vélo standard, le parcourt est d’environ 50mm (2po.). Un vélo couché à entraînement direct devrait être conçu avec un parcourt plus court à cause du poids supérieur de la roue avant et l’angle plus prononcé de la tête. Toutefois, un parcourt négatif ne doit pas être retenu à cause de l’instabilité provenant des crêtes et autres imperfections de la surface de la route. Une formule pour le parcourt est présentée dans l’étude. Cette formule donne un parcourt de 25mm (1po.) pour un angle de tête de 56 degrés par rapport à l’horizontale.

Ressort de centrage : Un ressort de centrage est un ressort qui ramène la direction vers le centre, c.-à-dire à la position droite. Celui-ci est requis pour un vélo couché à entraînement direct car la masse de l’assemblage frontal (tout ce qui tourne avec la roue) est beaucoup plus grande que celle d’un vélo standard, en raison du poids des pieds du cycliste reposant sur les pédales. Sans ressort de centrage, la conduite répondrait trop fortement à une inclinaison du cadre ou à un léger virage de la direction, résultant en une correction trop grande du déséquilibre menant à l’instabilité du vélo. Un ressort de centrage contrôle ces effets, restituant la stabilité et une conduite conviviale. L’étude présente une équation pour déterminer la constante de ressort du ressort de centrage. Ce ressort peut être une simple barre de torsion placée dans le tube de tête.

Empattement : Pour des raisons de compacité, il est tentant de placer la roue arrière immédiatement derrière le dossier de la selle. Cependant, ceci rendrait la roue avant trop légère, amenant des problèmes de traction, particulièrement lors d’une montée. Il est préférable de viser à obtenir une répartition du poids à 50/50 entre la roue avant et la roue arrière lorsque le cycliste prend place dans le siège. Ceci nous donne un empattement variant de 1300 à 1550mm (51 à 61 pouces), en fonction de la taille du cycliste.

Rigidité : Pour un vélo standard, la rigidité de torsion du cadre est importante afin d’assurer qu’une portion de l’énergie du cycliste n’est pas perdue dans la flexion du châssis. Pour un vélo couché à entraînement direct c’est plutôt la rigidité de torsion de l’assemblage avant qui importe, particulièrement à partir du guidon vers l’essieu de la roue avant. Cela assure que l’énergie n’est pas perdue dans la flexion du chassis alors que les mains du cycliste résistant aux forces du pédalier. La rigidité de torsion peut être améliorée par une fourche ayant une connexion directe de la roue avant au guidon, avec le jeu de direction décalé vers l’arrière. Ceci permet d’éviter l’affaiblissement résultant de la portion relativement étroite d’un tube de direction passant par le tube de direction.

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Stegmann, John. (2002). « Chain of Thought ». Velo Vision, n. 8, p. 23.

Garnet, Jeremy M. (2008). “Ergonomics of Direct-Drive Recumbent Bicycles”, Human Power eJournal, 17:5.