Et si on parlait de l’importance des roues sur le vélo de route

Les roues d’un vélo de route doivent être choisies avec la plus grande attention. Il serait préjudiciable d’avoir un cadre très haut de gamme avec des roues d’entrée de gamme. Ce serait alors comme si l’on montait sur une Formule 1 des roues de 2CV : le comportement de votre “destrier” en serait considérablement amoindri.

Sur un vélo neuf, le choix des roues montées est souvent faussé par une situation de contrat liant le constructeur avec un fournisseur de roues sur des volumes d’achat. De plus, lors de l’achat d’un vélo neuf, la paire de roues est malheureusement souvent passée au second plan. Le client ne voit que la beauté générale du vélo qu’il achète oubliant de regarder de plus près la « monte » installée de base sur le vélo. C’est à ce moment qu’une négociation peut s’envisager afin de monter en qualité sur cette partie stratégique du vélo qui vous permettra de sortir du magasin avec un vélo performant. La plupart du temps sur les vélos de qualité le choix constructeur est bon, mais il convient quand même d’y regarder à deux fois.

La roue : facteur essentiel de la performance mais pas que…

Les roues d’un vélo ont un rôle très important dans la performance globale. Ce sont elles qui transmettent la force qui fait avancer le vélo. Ce sont elles également qui sont en contact avec la route pas toujours très “lisse” ni très “plate”. Avant d’aborder le sujet principal consacré aux roues examinons ce qui peut interagir sur la performance.

La performance du cycliste passe bien sûr par ses mollets, mais il faut considérer que cette puissance est transmise à la machine par une liaison : homme – machine – route … Une route qui monte et qui descend, avec des revêtements de diverses natures, du vent de face mais parfois de côté ou arrière. Le combat est toujours inégal pour le cycliste. Vouloir rouler à une certaine vitesse ou maintenir une certaine moyenne impose de produire une puissance capable de vaincre trois formes de résistances très inégales suivant les circonstances, résistance due à la gravité, résistance due à l’air et résistance due aux autres frottements. Pour chacune de ces formes de résistance il existe un ensemble de facteurs dont certains dépendent de votre capacité ou des choix maîtrisés que vous ferez … d’autres pas..

Pour caractériser et quantifier ces différentes formes de résistance nous allons utiliser un ensemble de paramètres et mettre en situation un cycliste “lambda”, que l’on nommera Roger. Il développe une puissance d’environ 200 watts dans trois situations classiques : pente, plat vent contraire, position aérodynamique …  En comparaison, un coureur “pro” dans la montée finale de l’Alpe d’Huez du Tour de France peut développer plus de 400 watts lors d’une échappée pendant les 35 mn de la montée.

Enfin, avant de se concentrer sur les roues, il faut également évoquer sa pratique du vélo, sa condition physique, son poids et en dernier ressort, et ce n’est pas le moindre, le budget dont nous disposons. La roue idéale restera un compromis et le terme de polyvalence prendra ici tout son sens. Oublier d’avoir passé en revue tous ces points peut conduire à un mauvais choix.

Une roue c’est quoi ? … Revue de détail

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La jante

On parle aussi de cercle. L’acier chromé a disparu depuis longtemps, l’aluminium reste le plus courant et il est progressivement remplacé par la fibre carbone et aussi une structure mixte alu / carbone. Aluminium et carbone permettent désormais d’obtenir des profils (hauteur et largeur) allant de la roue lenticulaire, parfaitement aérodynamique, à semi aérodynamique à bâtons et de hauteur variable allant de 24 mm à 88 mm, les largeurs allant de 19 à 28 mm (19 restant la plus courante). La forme de la jante permet, suivant le cas, le montage classique pneu / chambre à air, boyau ou tubeless (pneu sans chambre à air). C’est aussi sur la jante que se trouve la surface de freinage. Tout du moins c’est le cas aujourd’hui car l’utilisation du freinage à disque sur les vélos de route, encouragée par de nouvelles pratiques (urbain, gravel, randonnée, …) et autorisée sur les courses UCI en 2016, devrait faire évoluer ce point. Enfin, les jantes alu d’entrée de gamme sont agrafées alors que sur des modèles plus évolués les jantes sont soudées.

Les rayons

Ils sont fabriqués avec différents matériaux : acier zingué ou inoxydable, aluminium, fibre de carbone et titane. La forme ronde, la plus classique, a évolué pour devenir plate, ovale, tubulaire. Au nombre de 16, 20, 24, 32 classique et 36, la section du rayon peut être variable pour une même forme (ronde de 1,6 et 2,3 mm). L’accrochage et le montage des rayons vont être différents suivant la jante, asymétrique pour l’arrière, radial ou symétrique pour l’avant avec des variations sur le nombre de croisements. Dans tous les cas le montage doit rester compatible d’un côté avec la jante et de l’autre avec le moyeu.

Le moyeu

La matière est majoritairement de l’aluminium mais aussi du carbone, mixte carbone/titane avec des roulements à billes en acier et pour les plus coûteux en céramique. C’est le moyeu arrière qui reçoit le corps de la roue libre avec deux standards possibles : Campagnolo ou Shimano/SRAM.

Les pneus : pneus, boyaux ou encore tubeless

Alors pneus, boyaux ou tubeless ? … C’est une querelle de spécialistes qui rebondit avec l’arrivée du tubeless. Comment s’y retrouver dans une avalanche d’affirmations péremptoires avec autant de critères : poids, résistance à la crevaison, watts consommés, confort, usure, qui sont impossibles à chiffrer pour étayer une conclusion objective. Il existe un grand choix de dimensions et de profils avec de nombreuses marques sauf pour le tubeless qui entre depuis peu sur ce marché avec plusieurs types : Tubeless UST, Tubeless No Tubes, Tubeless avec flap. Quel que soit le choix de pneus choisis, la jante doit rester compatible. 

En bref vous n’avez que l’embarras du choix pour composer votre roue idéale.

Revenons sur la route avec Roger

Notre ami “Roger” va donc prendre la route où il sera confronté aux différentes résistances et en fonction des circonstances elles agiront plus ou moins sur les trois facteurs principaux : frottements mécaniques, gravité, aérodynamisme.

Pour illustrer par des graphiques l’importance de ces 3 formes de résistances nous avons utilisé le calculateur de Sportech pour déterminer en pourcentage la répartition des 200 watts de puissance fournis par Roger

Nous avons appliqué les données propres à “Roger”, sans entrer tout de suite dans l’explication de certaines :

• Poids : 70 kg,
• Poids de son vélo et de ses équipements : 9 kg,
• Température : 20°C,
• Pression : 760 mmHg,
• Friction Cf : 0,0027,
• Roulement Crr : 0,008,
• Aérodynamisme SCx : 0,40.

Certains paramètres n’entrent pas dans le calcul. Roger roule tout seul, il ne bénéficie pas d’aspiration, il affronte seul les vents de face(+) ou de dos (-).

Les frottements mécaniques

Roger sur le plat bras tendus, face au vent de 11km/h, il roule à 24 km/h

En descente, en montée, sur le plat, nous n’échappons pas aux frottements mécaniques sous plusieurs formes .

Le plus important des frottements est celui de la résistance au roulement.  Parce que la roue ne glisse pas sur le sol ce phénomène physique s’exprimera par un coefficient de résistance au roulement Crr suivant la nature du sol et du pneu (en particulier de son gonflage).

Le Crr peut varier de 0,010 pour un asphalte en mauvais état jusqu’à 0,004 sur un vélodrome.

Autres facteurs pour aboutir au résultat du calcul de la puissance absorbée par cette résistance, toujours le poids (vélo + cycliste), la vitesse et g l’accélération de la pesanteur.

Viennent ensuite les frottements mécaniques consécutifs à la transmission par chaîne ( boîtier de pédalier, chaîne, dérailleurs, corps de roue libre).

Impossible pour l’instant de modéliser en laboratoire le rendement d’un cadre ou comparer des rigidités entre différentes paires de roues. La parole reste à Roger qui roule régulièrement et de ses sensations. Certains cadres ne tiendront par leur promesse, certaines roues donnent l’impression de vieillir rapidement.

Pour clore le sujet des frottements dus à la transmission, la friction des moyeux de roues suivent un coefficient de friction Cf mais surtout le carré de la vitesse.

Cf va varier de 0,0030 pour des roues standard bas de gamme à 0,0024 pour des roues haut de gamme.

Le calculateur Sportech prend en compte l’ensemble des facteurs avec pour résultat la somme totale des frottements sans pouvoir détailler la part de la résistance au roulement des frottements mécaniques et des frictions moyeux.

Nous avons utilisé la méthode de calcul de ChronosWatts où la résistance aux roulements est calculée séparément et dans laquelle on applique un pourcentage de 2,5 % sur la puissance totale pour définir la puissance des frottements et frictions moyeux. La somme des deux correspond au chiffre global de Sportech.

Des faits

• On ne peut pas remplacer la surface sur laquelle on roule mais on peut remplacer le pneu. Les solutions sont  nombreuses – pneus / boyaux, dimensions, profil, pression de gonflage … et ainsi modifier le coefficient de résistance au roulement Crr.
• Le plus important des frottements est celui de la résistance au roulement qui peut atteindre 20%
• Le poids d’un moyeu est un bon indicateur de son coefficient de friction.
• On appréciera la qualité des moyeux en descente.
• La puissance en jeu sur la friction des moyeux et des autres frottements est variable selon la vitesse mais reste à moins de 2,5 % de la puissance totale.

La gravité

Roger en montagne sur une pente à 9%, sans vent, il monte à 9 km/h

Le poids, qui est un “ennemi” dans les montées mais aussi lors des accélérations, devient un “ami” dans la descente.

Comme toutes les autres pièces, les roues sont soumises à la gravité, leurs poids s’additionnent au poids du reste du vélo mais, si elles avancent à la même vitesse à la différence des autres pièces leurs masses « tournent sur elles-mêmes » entraînant une résistance supplémentaire lors d’une accélération, c’est la partie de l’effet d’inertie due à la rotation. Plus la masse est éloignée du centre (le pneu et sa chambre, la jante, une partie des rayons), plus la puissance supplémentaire à produire lors de l’accélération devra être importante. La puissance sur ce camembert représente le cas d’une vitesse constante. Facteurs indépendants de la volonté du coureur dans la formule, la pente, l’accélération de la pesanteur, le vent s’il y en a. Il peut seulement pédaler plus fort ou sur un vélo plus léger pour vaincre la gravité.

• Le poids d’une paire de roues de 1,9 kg représente 23% du poids d’un vélo pesant 8 kg

Des faits

• Une paire de roues Shimano R101 à 100 euros 20 rayons AV, 24 rayons AR jantes alu 2,6 kg roues 1960 g, les pneus 2 x 205 g, les chambres 2x 125 g.
• Une paire de roues Mavic Aksium Elite 250 euros 20 rayons acier AV et AR, jantes alu 2,4 kg roues AV 800 g, AR 935 g, pneus 2 x 205 g, chambres 2 x 125 g.
• Une paire de roues Mavic Cosmic Ultimate tout type de course 2900 €, jantes carbone h 40 mm, 20 rayons carbone AV et AR, moyeu carbone AV, alu AR 1,8 kg roues 1185 g, pneus 2 x 205 g, chambres 2 x 100 g.

• Il n’y a pas de relation entre le poids d’une roue et sa solidité.
• Le nombre de rayons conditionne une partie du poids de la roue mais aussi sa rigidité.
• En dessous de 20 rayons la rigidité de la roue est incertaine avec, en facteurs aggravants, le poids du cycliste, la hauteur de la jante. Sa durée de vie s’en trouvera également plus courte.
• La rigidité d’une roue est primordiale pour la sécurité en descente.
• Une roue légère tout en restant rigide favorise les relances
• Le nombre de rayons conditionne la rigidité mais aussi le confort
• Ce n’est pas une forte tension sur les rayons qui garantit la rigidité d’une roue mais c’est sa bonne tension et un montage par un professionnel compétent.
• La jante carbone a l’avantage du poids mais l’inconvénient du prix, de l’inconfort, de la fragilité.
• Le freinage sur une jante alu est garanti “tout temps” et immédiat à la différence de la jante carbone.
• L’image de la jante carbone est valorisante pour le vélo … et son propriétaire.
• Le prix grimpe de façon exponentielle à mesure que le poids diminue. 

L’aérodynamisme

Roger sur le plat, les bras en bas du guidon, sans vent, il roule à 30 km/h  

L’aérodynamisme : cet air que l’on respire et qui devient de plus en plus résistant à mesure que la vitesse augmente.

Au moins un facteur qui n’intervient pas directement dans ce calcul est le poids. Pour d’autres on doit s’en accommoder, les conditions atmosphériques, l’altitude. Reste l’aptitude du coureur à offrir le moins de surface frontale (S) possible et à optimiser son coefficient de pénétration dans l’air (Cx) intervenant dans l’effet de traînée.

Dernier facteur et non des moindres, la vitesse. Cette résistance à l’air est proportionnelle au carré de la vitesse (donc la puissance qu’elle absorbe est proportionnelle au cube de cette vitesse relative). Plus on va vite et plus il faut appuyer sur les pédales. Mais c’est seulement au-delà de 20 km/h sur le plat que la puissance à développer pour vaincre la résistance de l’air devient plus importante que la résistance aux frottements mécaniques. Cette puissance à fournir est bien sûr établie pour un coureur solitaire. Dans le cas où le coureur se trouve protégé dans un groupe, la puissance à fournir sur la partie aérodynamique diminue d’environ 30%.

Des chiffres

Le chiffre communément admis pour le produit SCx varie de 0,2 à 0,4 avec une surface frontale S de 0,45m2 qui dépend de la morphologie du coureur et un Cx de 0,5 à 0,9 suivant la position du cycliste (bras tendus, bras fléchis, mains en bas du guidon, contre la montre). Au vu des différents camemberts, on peut constater qu’il faut d’abord se préoccuper de sa tenue et de sa position sur le vélo avant d’examiner ses roues.

La roue parfaitement aérodynamique pour un record sur piste est une roue lenticulaire mais son ennemi est le vent. Pour cette raison, suivant les conditions météo, cette roue n’est pas autorisée en contre la montre sur route, question de sécurité. On décline la roue lenticulaire avec des modèles semi-aérodynamiques à bâtons ou à jantes et rayons profilés. les nouvelles technologies et les nouveaux matériaux font progresser en permanence les performances aérodynamiques des jantes tout en minimisant leur poids.

Des faits 

• Les jantes parfaitement profilées sont en carbone.
• Plus la hauteur de la jante est importante plus elle sera sensible au vent.

D’autres faits :

Les roues sont en principe faites pour rouler le plus longtemps possible. Ce ne sont pas des pièces d’usure mais il faut leur accorder un entretien régulier. Il y a des roues pour lesquelles l’entretien est aisé, ce qui leur permettra de vieillir mieux que d’autres.

• Le dévoilage d’une roue avec jante carbone est une affaire de spécialiste.
• Une roue à rayons nécessite de surveiller régulièrement la tension de ses rayons.
• La piste de freinage d’une roue carbone vieillit plus vite que celle d’une roue en alu.

Paroles de spécialistes

Ce sont les propos de professionnels réputés compétents qui proposent des montages “à la carte”. Roues constructeurs ou roues à la carte ? Cette dernière sera probablement plus chère mais montée par un professionnel, le résultat est garanti. Les informations sur une roue constructeur sont souvent trop réduites pour garantir le choix sinon le bouche à oreille.

Écoutez ces conseils de « pros » ils pourront éclairer vos choix …

Comme nous l’avons expliqué plus haut le premier acte dans votre choix est d’établir vos pratiques en vélo. Sortie en solitaire, en club cyclo, vous habitez la montagne, les Landes, la Bretagne… Votre condition physique ainsi que votre poids vont compter dans la balance.

Rencontres avec Benoît Stupici de la société Asterion (située à Charly près de Lyon) et Stevan de la société éponyme Stevan 11 (installée à Saint-Cannat – Bouches-du-Rhône)

Nombre de rayons

Asterion : « On ne descend pas en dessous de 24 rayons … Inversement, 36 rayons comme on voyait à une époque ça n’a pas de sens sur des jantes modernes … Au contraire on risque de fragiliser la roue car on a trop percé le moyeu et avec le frein à disque ça le rendra moins solide. » 

Stevan 11 :  « Je refuse de faire des roues light pour des gens qui font 100 kg  … je ne descends pas en-dessous de 20 à 24 rayons … »

Rayons 

On va parler du diamètre, du matériau, de sa forme, du poids, de la dimension de la jante et du moyeu sur lesquels il va se monter.

Asterion : « On utilise les rayons Sapim marque franco – belge ils ont un rayon plat hyper dynamique sur le terrain … Le rayon race est plus endurant … Les chutes de tension / relâchement sur les rayons usent les matériaux »

Stevan 11 : « C’est le rayon qui est la pièce maîtresse de la roue … monter une jante haut de gamme avec des rayons bas de gamme c’est une hérésie … »

Le montage

Stevan 11 : «  Pour monter des roues j’utilise 2 tensiomètres différents pour mesurer précisément la tension  des rayons l’outil DT Swiss (plus précis) et un Parktool  … Je veux bien mettre au défi un vieux de la veille qui faisait ça sans ces outils de mesure … Mes premières roues je les ai faites sans outil de mesure j’ai pu y arriver mais c’est la chance du débutant … Après vérification au tensiomètre seul un rayon n’avait pas la tension nécessaire …  »

Le temps de montage

Asterion : « Monter une roue en 20’ c’est tout à fait faisable mais quand vous roulez avec, les rayons vont se détendre … SI on veut travailler finement sur une roue pour obtenir son rendement maximum il y aura un travail de remise en tension par la suite et là le temps de montage pourra atteindre 1h1/2 2h … enfin il n’y a pas de règle … »

Stevan11 : « Pour une roue en alu il faut compter moins de 50’ pour son montage … Pour du carbone c’est plus compliqué on met les rayons puis on la tend un peu tous les jours car le carbone va se tasser … »

Tension des rayons

Asterion : « La recette pour qu’une roue fonctionne … une des clés c’est la tension des rayons pour avoir du rendement. Il faut que les rayons soient suffisamment tendus afin qu’à chaque rotation de la roue il n’y ait pas un relâchement des rayons situés en bas … »

« Pour le Gravel il faut rester sur des tensions assez fortes mais on peut jouer sur le nombre de rayons pour s’adapter à l’usage et au poids du cycliste. »

L’entretien

Les roues ça se nettoie, et parfois il faut les réparer : voile, saut, rayon cassé …

A l’exception de roues vintage (rayons ronds), sur les roues haut de gamme actuelles (chères) les rayons ne sont plus ronds et réclament une forte tension. Les interventions ne sont donc plus à la portée de l’amateur mais celui d’un vélociste correctement équipé et expérimenté. Un tensiomètre DT Swiss à 400 euros ne s’amortit pas avec seulement quelques roues dont il faut retendre les rayons.

Asterion : «  Lorsqu’une roue est bien montée il y a zéro entretien si elle prend du voile c’est qu’elle a été mal montée ou que vous avez dépassé la limite élastique de la jante et que vous l’avez tordue. » 

Stevan 11 : « Je récupère souvent des roues après que le vendeur lui a dit “votre roue elle est fichue …” car tout simplement il n’arrive pas à récupérer son voile … C’est la limite d’un vendeur de vélos par rapport à un spécialiste des roues qui saura reprendre un rayonnage … »

La vidéo

Merci à ceux qui ont collaboré à la réalisation de ce dossier : Pierre qui a mené l’enquête sur les “résistances”, Patrick pour les ITW réalisées au Roc, Pascal notre prof de physique qui a apporté son savoir ainsi que Jean-Denis. 

Liens divers

Asterion : http://www.asterion-wheels.com/

Stevan 11 :   https://stevan11-cycles.business.site/

Calculateur Sportech : http://sportech.online.fr/

Calculateur sur Chronoswatts : http://www.chronoswatts.com/