Quels sont les avantages d'un vélo tout-suspendu ? TPE

Introduction :

Le premier jour où on a acheté nos VTT tout neufs, on était dans un état d’extase, de joie et de fierté inexplicable. Très vite, on a compris qu’il fallait les réparer, les bichonner et les régler. On a donc dû passer par une phase d’apprentissage pour comprendre comment il fallait faire. Dans le cas des « suspensions », pour savoir comment les régler, il a fallu trouver comment ça fonctionnait. Mais du coup, comment ça marche une suspension de vélo ?

I/ Généralité :

A/ Qu’est-ce qu’un vélo tout suspendu ?

Un vélo tout suspendu est un vélo qui possède un double système d'amortissement : le premier sur la fourche avant et le second au niveau du cadre.

B/ Qu'est-ce qu'un vélo semi-rigide ?

Un vélo semi-rigide est un vélo qui possède un système d'amortissement simple composé uniquement d'une fourche.

II/ Vélo tout suspendu VS vélo semi-rigide

A/ Sur un terrain plat :

On observe que nos temps de parcours sur 20m sur un terrain plat sont légèrement plus important avec un vélo tout suspendu qu’avec un vélo semi-rigide.

B/ Sur un terrain accidenté :

Le temps de parcours sur 20m sur un terrain accidenté est nettement supérieur avec un vélo semi-rigide.

Le vélo tout suspendu semble donc faciliter la conduite sur les chemins difficiles et permet tout de même une conduite confortable en ville.

Mais alors à quoi sont dus tous ces atouts et sont-ils les seuls que possède un vélo tout-suspendu ? Pour répondre à cette question, nous nous sommes intéresser aux suspensions de ce type de vélo, suspensions qui font d'ailleurs leur spécificité.

III/ Les suspensions d'un vélo tout suspendu

Il y a deux suspensions sur un vélo tout suspendu, la suspension avant appelée la fourche et la suspension arrière.

Tout d'abord intéressons nous à la fourche car elle joue un rôle capitale dans les performances des vélos et c'est pourquoi on la retrouve aussi sur les semi-rigides.

A/ La fourche

1) De quoi est-elle composée ?

Dans une fourche à suspension, on trouve un ressort et un amortisseur. Généralement, ils sont placés séparément dans les deux fourreaux de la fourche.

a) Le ressort

Pour étudier son mouvement, nous avons réalisé une expérience simple: nous avons accroché à un ressort une masse marquée, puis nous avons tiré cette masse. Le ressort a alors effectué des oscillations.

Nous avons modélisé ces oscillations par une courbe sur le logiciel Latis pro.

courbe représentant les oscillations du ressort

Nous observons que la courbe est pratiquement périodique. Cela signifie que le mouvement de la masse marquée est resté le même au fil du temps. En effet, le ressort a oscillé avec la même amplitude pendant plusieurs minutes !

Cela signifie que s'il n'y avait que le ressort dans la fourche, elle ne se stabiliserait pas après un choc. C'est pourquoi, il est nécessaire d'avoir un amortisseur.

Cependant, dans les fourches actuelles, c'est de l'air qui joue le rôle du ressort car comme nous le verrons dans la partie sur la suspension arrière, l'air est un gaz compressible.

Lorsque la fourche est en position initial, la pression de l'air est la même dans la partie 1 et dans la partie 2. Mais lorsque celle-ci absorbe un choc, le piston blanc vient compresser le volume d'air du milieu 2 augmentant ainsi sa pression :

L'air comprimé exerce alors une force de pression sur le piston et le pousse jusqu'à ce qu'il revienne à sa position initiale. Cependant, pour que le piston ne reviennent pas à sa position initial brutalement, il est nécessaire là aussi d'avoir un amortisseur.

b) L'amortisseur

L'amortisseur est la deuxième partie principale de la fourche. Il s'agit d'une cartouche remplie d'huile.

Après un choc, les plongeurs sont poussés vers le haut par le ressort mais l’huile ralentie le mouvement et limite le nombre d’oscillations du ressort (ou la vitesse du piston). Cela permet à la fourche de revenir rapidement à sa position initiale.

Schéma simplifié de la fourche:

Nous nous sommes demandés pourquoi utiliser de l'huile et pas simplement de l'eau?

Nous avons filmé les 5 premières oscillations d'une masse marquée accrochée à un ressort dans chacun des deux milieux (eau et huile). Puis nous avons traité les vidéos grâce à un logiciel nommé Latis-pro, qui nous a permis de simuler par des courbes le mouvement de la masse marquée dans les différents milieux. Nous avons ensuite rassemblé les résultats dans un graphique.

La courbe verte (oscillations dans l'eau) n’est pas périodique. En effet, l’amplitude des oscillations s’atténue rapidement. La courbe kaki (oscillations dans l'huile) n’est pas non plus périodique. L’amplitude des oscillations s’atténue la aussi, mais plus rapidement que dans le cas de l’eau en devenant quasiment nulle après 4 oscillations. On peut donc en déduire que l’huile est ce qu’il y a de plus efficace.

Par la suite, nous nous sommes interrogés sur les raisons de cette propriété de l’huile à amortir les oscillations. On a découvert que ce phénomène est dû à sa viscosité. Elle est caractérisée par un nombre exprimé en Pa.s (Pascal seconde). Pour l’eau, elle est de 1,005 x 10−3 Pa.s (à 20 °C) alors que pour l’huile, elle est de 77,8 x 10-3 Pa.s (à 20 °C). L’huile est donc environ 77 fois plus visqueuse que l’eau !

Reproduction inversée du fonctionnement d'une fourche :

2) Quel est son rôle ?

a) Amortir les chocs

- Saut avec vélo semi-rigide

- Saut avec un vélo tout-suspendu 

Dans les deux vidéos, on voit clairement la fourche en action, les plongeurs s'enfoncent dans les fourreaux à deux reprises. La première fois lors du choc entre la roue avant et le tremplin et la seconde fois entre la roue avant et le sol. Elle absorbe donc les chocs de la roue avant.

b) Créer un liaison souple avec le sol

Nous avons roulez sur un terrain accidenté avec un vélo tout suspendu en filmant la fourche. Voilà le résultat :

Comme on peut le constater, la fourche effectue de nombreuses oscillations. Cela est dû à l'absorption des chocs de la roue avant contre le sol.

Par conséquent, on peut dire que la suspension avant des vélos permet de compenser les irrégularités du terrain en créant une liaison souple entre le cadre et la roue avant. Mais en est-il de même pour la suspension arrière ?

B/ La suspension arrière

Les suspensions arrières actuelles sont de type oléopneumatique, c'est à dire qu'elles réunissent de l'air sous pression faisant office de ressort et de l'huile pour gérer l'amortissement.

1) De quoi est-elle composée ?

La suspension arrière est constituée de deux parties : le fourreau et le plongeur.

- Le fourreau est la partie immobile de la suspension et est responsable de l’oscillation de la suspension, il est rempli d’air sous pression.

- Le plongeur est la parte mobile de la suspension et est responsable de l'absorption des chocs.

2) Comment ça fonctionne ?

a) Le ressort

Dans la suspension arrière, c'est l'air ( fluide gazeux composé, constituant l'atmosphère terrestre) qui joue le rôle de ressort. Il est enfermé dans le fourreau.

Comme on le voit dans cette vidéo, l'air est un gaz compressible! Il agit donc de la même façon que les ressorts de compression que l'on retrouve dans les fourches.

La seringue est le modèle parfait pour reproduire ce qu'il se passe dans une suspension arrière. Le tube immobile représente le fourreau et le piston représente le plongeur.

Lorsqu'on encaisse un choc après un saut par exemple, le plongeur vient compressé l'air à l'intérieur du fourreau, c'est ce qu'on appel la compression.

Puis la suspension reprend sa position initial car l'air sous pression exerce une force de pression sur le plongeur et le repousse jusqu'à sa position de base, c'est la détente.

b) L'amortisseur

Ce qui fait que la suspension amortit plus ou moins un choc, c'est la quantité d'huile qui passe du milieu 1 au milieu 2.

Lors de la compression, l’huile présente dans le plongeur passe du milieu 1 au milieu 2.

Lors de la détente par contre, l'huile passe du milieu 2 au milieu 1.

La quantité d'huile qui passe d'un milieu à l'autre peu être modifiée grâce à une molette (ici en bleue). Il existe 3 réglages possible : le mode souple (gros dédit d'huile), le mode intermédiaire (débit moyen) et le mode rigide(débit très faible voir nul). On change de mode lorsqu'on change de terrain. Mais alors quel mode pour quel terrain ? C'est ce que nous allons voir dans la partie qui suit.

3) Quel est son rôle ?

a) Rouler partout

Nous avons demander à un de nos cyclistes de parcourir 20m à fond sur 3 terrains bien différents et en changeant le mode de sa suspension arrière.

Quelques vidéos d'illustrations :

Dans une montée on a donc un meilleur rapport effort/vitesse si la suspension arrière est bloquée. En descente par contre, il est préférable de mettre la molette sur le mode intermédiaire voir sur le mode souple. Et enfin, sur un terrain plat, il est préférable là encore de bloquer la fourche.

Pour conclure, les actuelles suspensions arrières des vélos tout suspendu permettent aux cyclistes de rouler sur tout types de terrains et de limiter les efforts inutiles par l'ajustement du débit d'huile de l'amortisseur de leur suspension.

b) Absorber les chocs

Sur la vidéo ci-dessous, le cycliste saute avec un vélo ne disposant pas de suspension arrière :

On voit que lorsque le vélo retombe sur le sol, c'est le cycliste qui subit le choc, le vélo ne l'a pas amortit ou très peu grâce à la suspension avant.

Maintenant, le cycliste effectue le même saut mais avec un vélo tout-suspendu :

Là, le choc est beaucoup moins important pour le cycliste car comme on le voit sur la vidéo la suspension arrière absorbe le choc entre la roue arrière et le sol.

c) Créer une liaison souple avec le sol

Nous avons roulez sur un terrain accidenté avec un vélo tout suspendu en filmant la suspension arrière. Voilà le résultat :

Comme on peut le constater, la suspension effectue de nombreuses oscillations. Cela est dû à l'absorption des chocs de la roue arrière contre le sol. Ainsi, comme pour la fourche, la suspension arrière permet de compenser les irrégularités du terrain en créant une liaison souple entre le cadre et la roue arrière.

IV/ Conclusion

Pour conclure, les vélos tout suspendu, grâce à leurs suspensions facilement réglables et qui crées une liaison souple entre le vélo et le sol, garantissent à leurs utilisateurs une conduite confortable sur tout les types de terrains existant. De plus, l'absorption des chocs par les suspensions permet aux cyclistes d'avoir un meilleur contrôle de leur vélo et ainsi d'avoir une conduite aisée sur des chemins techniques.

Ce TPE vous a été présenté par Florian Paul, Alexis Dho, Mathias Villeneuve et Paul Menacer.

sources :

- btwin.com

- youtube.com

- ellesfontduvelo.com

- vttcamp.com

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