Comparaison effort fourche TD/VC-VD

Je m'occupe aujourd'hui avec un peu de RDM (résistance de matériaux) enfin même pas puisque je ne m'occupe pas du dimensionnement mais juste des efforts.

J'ai fait ce calcul après relu une n-ièmme fois que les fourches et les pivots en TD sont plus sollicitées que les fourches en VC à cause de l'angle de chasse plus important.

Je compare 2 vélos
un VD angle de chasse 70°, chasse 60mm
un TD angle de chasse 57°, chasse 120mm

Les deux vélos ont des roues de 622mm avec des pneus en 30mm.
Les deux vélos sont équipés de frein à disque 180mm positionné 45° après la fourches (dans le sens normal).
Le point bas du pivot est à 40mm du pneu et le pivot fait 110mm de long.

Le pivot de fourche est modélisé avec une rotule en bas et une linéaire annulaire en haut.

En statique sans freinage, pas de doutes, c'est vrai pour 2 aspects TD plus chargé à l'avant qu'un VD et si charges identiques alors les efforts dans le pivot sont environ 40% plus importants.

Mais ce cas ne me semble pas le cas dimensionnant...

Dans la suite j'utilise les mêmes charges sur la roue avant.

Quand on commence à freiner les efforts dans le haut du pivot commencent par décroître et s'annulent même avant de s'inverser. Si on considère un freinage bourin sur un sol sec (avec Cr de 1) on arrive a des valeurs de 4 fois la statique sans freinage dans le pivot avec le VD... donc je pense que les fourches de VD sont dimensionnées sur ce scénario plus que sur le statique sans freinage (si on ne devait choisir qu'un cas dimensionnant critique). On sent bien cette inversion de sens de la force en haut du pivot si on roule avec un jeu de direction déserré.

Pour le TD pareil sauf que l'effort de freinage est plus important pour annuler les efforts en haut de pivot et dès ce point passé les efforts dans le pivot du TD sont plus faibles que sur le VD... donc aussi sur le cas critique!

Donc je me pose la question pourquoi renforcer la fourche/pivot sur un TD? C'est vrai qu'en régime normal c'est plus chargé mais en critique moins...

P'tet parce qu'on roule beaucoup plus souvent en normal qu'en critique...?

Faut voir aussi, en "normal", l'effet amplificateur des contraintes par les "secousses" dues à un sol imparfait, ce qui n'est pas rare.

Ça s'appelle la fatigue...

Oui oui bien sur on roule plus souvent sans freiner fort... et les chocs de la route ont un impact sur les efforts dans ce mode.

Pour la fatigue si le vélo est en acier en dessous de la limite d'endurance (environ 0.5 Rm) l'acier ne fatigue pratiquement pas.
Si on prends un application numérique. Le cycliste et le vélo pèsent 1000N Cg situé à mi chemin entre les 2 roues donc 500N sur la roue avant.
Avec la géométrie décrite précédemment on a sans freiner

Dans le pivot du VD :
- 839N en haut du pivot
- 1114N en bas du pivot

Dans le pivot du TD :
- 1239N en haut du pivot
- 1569N en bas du pivot

En freinage bourrin (roue limite de blocage avec Cr = 1)

Dans le pivot du VD :
- 2216N en haut du pivot
- 2595N en bas du pivot

Dans le pivot du TD :
- 1509N en haut du pivot
- 1795N en bas du pivot

Si on considère l'effort dimensionnant comme le max de l'effort critique et de l'effort courant x 2 : on suppose donc le coef de sécu égale pour les 2 modes on atteint Rm/Cs en critique ou 0.5Rm/Cs en courant.

Pour le pivot du VD :
- en haut 2216 ou 2 x 839 soit 2216N
- en bas 2595 ou 2 x 1114 soit 2595N

Pour le pivot du TD :
- en haut 1509 ou 2 x 1239 soit 2478N
- en bas 1795 ou 2 x 1569 soit 3138N

Les efforts dimensionnant sont donc un peu plus important sur un TD avec ce calcul et surtout ce n'est pas dimensionné sur le même mode... donc la comparaison s'avère impossible si on ne connait pas exactement les hypothèses de conception!

C'est très interressant Clément , enfin certainement car je n'assimile pas tous tes termes cependant je vient de mettre en place le pivot de fourche le plus haut que j'avais en stock , de 175 mm de haut , j'ai toujours opter pour du 120 , 130 ou 140 maxi , ce qui permet un poste de pilotage pas trop haut , mais avec ce pivot bien plus haut , l'ecart plus grand entre les 2 roulements me procure une stabilitée encore meilleur , et ça je le sent bien c'est peut etre le seul TD sur lequel je vais roulez sans les mains , et l'influence sur la déformation de la fourche en freinage est minimisée , c'est flagrant , depuis 13 td construits .

Je dérive un peut par rapport a ta reflection sur la fourche ... mais pas tout a fait ?

Effectivement il n'est pas obligatoire de renforcé la fourche d'un TD , selon les appuies et soutient des 2 roulements , puisque la fourche d'un TD fait partie d'une structure triangulée , pas moins de 10 triangles sur mon dernier TD , et grace a cela on pourrai beaucoup allégé ce cadre avant , et rendre chaques tubes tres aéro .

2 remarques évidentes, car pour le reste, ce n'est pas mon domaine :

- Il y a des TD qui ont le même angle de chasse que les VD : les cruzbike, la seule marque qui commercialise des TD (?), ceux de Lorenzo ..
- sur les VC, et encore plus sur les TD pour améliorer l'adhérence, il y a plus de poids sur l'avant

Peut-être faut-il aussi regarder du coté des efforts en torsion (notament dans le sens longitudinal du vélo, il faut au moins une résistance de l'ordre de 100Nm) ?
C'est surtout la jonction cadre-pivot qui me semble critique pour un TD. Pour un vélo droit, la solidité/rigidité est nettement accentuée du fait de l'arrivée de la barre horizontale.

Et oui pas de miracle en augmentant la longueur du pivot on réduit en effet les efforts donc les déformés de la fourche mais aussi le jeu angulaire : la diminution des efforts permet une légère réduction des jeux radiaux dans les roulements mais aussi pour un même jeu radiale dans les roulements l'augmentation de longueur permet une diminution du jeu angulaire. Sur le dernier en carbone c'est 175mm? ça ne parais pas si massif sur les photos...

Pour la triangulation de l'avant je vais essayer de regarder l'impact... mais ça ne change pas les efforts sur les pivots.

Oui les cruzbikes sont plus proches des VD mais je n'aime pas leur comportement je préfère à 60° voir très légèrement plus...
Je vais rependre la modélisation comparative avec 40% du poids sur l'avant pour le VD et 60% pour le TD

Pour le moment c'est prix en compte dans le sens ou les efforts sont localisés et force x distance = moment. Il n'y pas d'endroit ou on transmet directement un moment.

D'accord sur le cadre mais pas encore abordé, c'est pour la suite...

En relisant, je vois "on considère l'effort dimensionnant comme le max de l'effort critique et de l'effort courant x 2"

Je pense que le "x 2" n'est pas suffisant. Lorsque tu places un capteur d'accélération rapide (100Hz) sur un vélo, même assez souple (mon vélo est en bois, mais le capteur était proche de l'axe roue arrière), tu mesures des valeurs de 2.5 à 3g en pointe. Donc si tu veux un peu de marge, il faudrait plutôt un x4 à mon avis.

Le couple dont je parlais, c'est celui testé par exemple par le "track holding rigidity test" décrit ici  (http://efbe.de/produkte/steifigpruef/enindex.php). Si le vélo est trop mou à de ce point de vue, il n'est pas pilotable (ou alors réservé aux spécialistes). Il me semble que ce couple passe par le pivot de la direction et que ton angle de pivot impacte légèrement cette rigidité.

Bien d'accord avec toi... pour le coef de sécu. Je parlais de l'effort dimensionnant (l'effort provoquant pour le plus de contrainte) il faut le multiplier par le coef de sécu pour le calcul... mais pour l'instant je ne fait que des comparaisons.

Je suis dans autre chose cette semaine (il fait beau et j'ai récupéré mon TD...) je reprendrais ça bientot!

Je ne partage pas ton point de vue. Les valeurs de 2,5 à 3g sont des valeurs mesurées des accélérations verticales. Avec un vélo plus rigide, je pense qu'on doit atteindre 4g en pointe probablement. Pour moi, il s'agit bien là de l'effort dimensionnant, c'est à dire d'une charge qui est susceptible effectivement de se produire.
Pour ce qui est du calcul du freinage bourin en revanche, il me semble que l'effort dimensionnant est bien de l'ordre de celui que tu indiques (de toute façon, il y a une limite quand la roue avant bloque, à moins de percuter un mur de face..)
A ma connaissance, le coef de sécurité, c'est plutôt pour tenir compte des imperfections de fabrication, des aléas de matériau, de vieillissement.. Et ça vient bien sur en coef multiplicateur. Vu l'enjeu de la casse du cadre à cet endroit, un autre x2 semble indispensable.

On est bien d'accord : on a un effort en statique, un en dynamique (je l'intègre dans un coef disons 3, mais sécu n'est pas forcement le meilleur descriptif). Je compare à une contrainte admissible pas à la contrainte critique.

Pour le freinage : un trou, un trottoir peuvent aussi augmenter l'effort mais peut être pas 3...

Donc en conclusion c'est encore plus complexe à comparer car pas le même mode ni le même le coef (pour charge dynamique).

Je m'y repenche en détail semaine prochain mais effectivement ça semble plus chargé sur le TD.

Une piste concernant les efforts à prendre en compte: les essais de fatigue et d'impacts spécifiés par la norme EN14781 (pour les VD): http://zencomposites.com/afnor.pdf .

Belle trouvaille!

C'est super intéressant comme étude

A l'instinct je dirais que le "nid de poule" me paraît plus critique que le freinage bourrin pour le TD, étant un combo du freinage et du statique accentué.

Aussi est ce que l'on doit prendre en compte le fait que sur un TD la roue avant, étant motrice, "tire" le bas de la fourche vers l'avant donc exerce un couple dans le même sens que celui exercé par l'action de la gravité ?

Bien vu pour l'action de la propulsion (enfin traction...) sur les efforts je vais intégré ça à l'occasion.

Pour le cas critique j'ai cherché sans trouver mais je pense que les VD doivent quand même être dimensionné pour taper un trottoir ou autre qui les ralentirai plus que les freins? En quelque sorte l'équivalent du nid de poule mais à l'horizontal.

Avec la modélisation expliqué avant, avec mes modélisations sur papier, excel et un peu de RDM6 je vois que la fourche en elle même n'est pas plus sollicité si le triangle avant est assez rigide mais le pivot lui l'est plus... sauf que suivant les tailles de VD on a des pivots entre 110 et 220mm donc en mettant un peu de surlongueur sur le pivot on réduit les efforts (le moment à faire passer est le même) pour retomber sur des valeurs proches voire inférieures au VD.

Si on est sur des efforts à faire passer ça serais rigolo de faire un peu d'EF mais il faudrait connaître les specs précises des fourches...

Donc si je te suis bien, sans calcul, il est plus judicieux de prendre un long pivot que de renforcer la fourche.
Intéressant à savoir pour les prochaines constructions réglables

2 zones distinctes :

Le pivot lui même : plus chargé sur le TD que sur le VD, ça passe en route sans soucis avec 110-120mm donc en TD sans soucis et sans renfort à partir de 145mm environ.

La fourche elle même : si la triangulation est assez rigide (comme par exemple le dernier l'étrange) elle est moins chargée car les tubes avants (base et tube de selle) reprennent une partie de l'effort. Par contre sur le miens (avec ton kit Cruzbike il me semble) vu les articulations et la différence de module alu/acier, ça ne soulage de rien ou presque la fourche qui est donc dans ce cas plus chargé que sur un VD. Dans le cas d'un réglable il faut affiner en fonction des positions des pivots.

Reste une question débattu sur d'autres posts... un triangle avant trop rigide nuit sans doute au confort.

En prenant une fourche trop légère en acier, dans le cas d'un réglable style cruzbike (oui comme mon ex kit dont tu profites ), ce que l'on risque, c'est qu'elle se torde et que le vélo s'affaisse, donc pas trop dangereux.
Ne pas jouer au sous-dimensionnement avec du carbone, de l'alu ou du bambou par contre.

clementrike a écrit:

Par contre sur le miens (avec ton kit Cruzbike il me semble) vu les articulations et la différence de module alu/acier, ça ne soulage de rien ou presque la fourche qui est donc dans ce cas plus chargé que sur un VD.

dans le cas statique on est d'accord.
Et pour le cas critique la simple configuration de chasse et angle de pivot différente ne soulage t'elle pas ou est ce vraiment dû au renfort à la Letrange avec un triangle avant rigide ?

Euh pour l'acier en théorie oui mais si ça lache à une soudure (comme mon guidon) c'est pas très progressif et ça peut être dangereux! Les fourches sont ouvertes et ressoudé pour passer à 135mm...

En configuration simple (un simple triangle) cela soulage un peu en théorie mais vu les jeux et la possibilité de déformation qu'il permettent je ne suis pas sur dans la réalité. On peut raisonner comme un problème hyperstatique avec 2 (ou plus si triangulation) "poutres" différentes et se baser sur une déformée égales sur les 2 poutres. Ca marche pareil dans le cas général et le cas critique, mais le cas critique est plus difficile à établir car en plus du module différent (géré par les déformées), la contrainte admissible n'est pas la même non plus... tout ça pour dire que cela va aider mais je pense que cela reste minime... et je n'ai pas envi de faire le cobaye

Il y a deux élément que je ne vois pas dans ton étude :
- quel diamètre de pivot a tu pris en considération ? Les VD modernes sportifs avec une douille très courte ont aussi des roulements de très gros diamètre genre 1.5 pouce en bas. Pour info, Toxy a progressivement augmenté le diamètre des roulements de la fourche du Toxy ZR TA indirecte.
- la fourche va encaisser une partie des efforts de transmission de la puissance qui, la transmission étant d'un seul coté, va la faire se tordre tout comme les efforts de transmission de la puissance font se tordre le triangle arrière d'un VD sauf que sur un VD la roue pousse le vélo et cette poussée est une force de compression dans le triangle alors que sur un VC TD la roue tire le vélo et fait fléchir la fourche et son pivot.

Pour le deuxième point je suis d'accords avec toi et ça n’embête un peu car j'ai quasiment tout fait comme un problème plan ... je vais regarder l'impact quand j'aurais le temps (j'ai commencé ça pendant l'hiver pour m'occuper maintenant qu'il fait un peu meilleur je roule !)

Pour le premier point, on est d'accord plus c'est gros mieux ça tient mais les efforts restent identiques quelque soit le diamètre seule la géométrie les fait évoluer. L'idée était de repartir d'une fourche de VD pour l'utiliser en TD donc sans changer son diamètre.

Le TD comme le VD charge plus le roulement du bas que celui du haut donc on conserve l’intérêt des fourche à pivot conique.

Je me demande comment fonctionne le triangle avant du Cruzbike Silvio qui a une suspension avant et de ce fait une sorte de lame en guise de base entre le pédalier et le pignon et qui doit donc etre relativement souple alors que les efforts de transmission de la puissance entre le pédalier et le pignon s'exercent sur cette lame ?

L'effort de traction sur la chaîne est plus ou moins parallèle aux lames ce qui limite leur déformation il me semble.

Samural a écrit:

L'effort de traction sur la chaîne est plus ou moins parallèle aux lames ce qui limite leur déformation il me semble.

Oui, elles doivent travailler en compression vis à vis de la traction de la chaine.

Sauf qu'elles doivent inévitablenent etre au moins un peu pliées lorsque la suspension se comprime et dans ce cas la, la traction de la chaine doit faire encore plus se plier la lame coté droit et pas celle coté gauche ce qui devrait me semble-t'il induire une torsion du triangle ?

Sur les VD avec triangle asymétrique, la base coté gauche qui est en traction est renforcée.