Pédalier (mécanique)

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Le pédalier est le composant qui convertit le mouvement alternatif des jambes en un mouvement de rotation qui sera transformé en mouvement linéaire transmis à la chaine qui à son tour fera tourner la roue arrière. Il est présent notamment sur les bicyclettes, ce qui en fait une mécanique répandue et populaire.

Deux pédales sont fixées chacune à une manivelle, à l'opposée l'une de l'autre ; la rotation de l'axe du pédalier entraîne directement la roue motrice ou indirectement un système de transmission : un à trois plateaux, qui entraîneront une chaîne (ou plus rarement un autre système de transmission, un cardan par exemple) qui elle-même entraînera le pignon arrière (ou la roue libre ou la cassette) fixé à la roue motrice (ou parfois une hélice). Des dérailleurs assurent les changements de « vitesses » (en fait les rapports de démultiplication) en plaçant la chaîne sur le plateau et le pignon choisis.

La transmission du vélo : à droite le pédalier.
Un plateau droit de marque Shimano : au milieu la manivelle du pedalier

Invention[modifier | modifier le code]

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La pédale a été inventée par Ernest Michaux, fils du charron Pierre Michaux[réf. nécessaire]. Âgé de 19 ans, Ernest effectue les menues réparations à l'atelier paternel, installé dans la banlieue parisienne. En mars 1861, un notable apporta son Vélocifer, un modèle perfectionnée de draisienne, pour une révision technique. Celle-ci effectuée, Ernest essaie dans les rues voisines l'engin bien équilibré et revient en disant à son père qu'il ne sait pas bien où placer au cours des déplacements ses pieds et ses jambes lorsqu'il profite d'une descente ou d'une vigoureuse marche d'élancement. Le père lui suggère alors de fixer des reposes-pieds ou mieux des pédales, en prenant modèle sur une meule rotative à pédales. Ce qu'Ernest fît.

Historiquement, le pédalier est en prise directe sur l'axe de la (grande) roue avant, mais il a vite été installé en bas du cadre, à un emplacement plus favorable au pédalage, en prise sur un plateau, permettant d'entraîner une chaîne avec une démultiplication choisie.

Parties[modifier | modifier le code]

Manivelles[modifier | modifier le code]

Les deux manivelles sont placées de chaque côté leurs axes respectifs sont généralement parallèles. Elles relient les pédales à l'axe de pédalier.

Longueur des manivelles[modifier | modifier le code]

La longueur des manivelles de vélo peut être différente en fonction de la taille des cyclistes. Les principaux fabricants proposent des longueurs de manivelles pour adultes généralement comprises entre 165 mm et 180 mm, 170 mm étant la taille la plus courante. Quelques fabricants spécialisés font aussi des manivelles plus courtes que 165 mm ou plus longues que 180 mm. Cependant, elles peuvent être encore plus courtes pour le monocycle, allant de 60 pour le freestyle (artistique) à 150 mm (ou plus) pour le tout terrains (et entre 130 et 140 mm - généralement - pour le street, le trial et le flat). On pourrait penser que les cyclistes avec de petites jambes doivent utiliser des manivelles plus petites que les cyclistes avec de grandes jambes, mais ce n'est pas universellement accepté. Très peu de scientifiques ont étudié les effets de la longueur des manivelles sur les performances cyclistes, et ces études ont donné des résultats contradictoires. Il existe plusieurs formules pour calculer la longueur de manivelle idéale en fonction du cycliste. En tout cas, la longueur de manivelle exacte qui apporte le confort maximal pour un cycliste donné peut dépendre de la spécialité du cycliste. Les cyclistes préfèrent en général des manivelles plus courtes lorsqu'ils doivent fournir une cadence de pédalage plus élevée, comme dans un critérium ou une course sur piste ; à l'inverse, une plus grande longueur de manivelle est souvent préférée pour les épreuves qui demandent une cadence moins soutenue, comme les contre-la-montres ou les épreuves de VTT. Noter que plus les manivelles sont longues, plus grand est le risque de voir la pédale basse côté intérieur toucher le sol dans les virages quand le vélo est incliné.

Matériau[modifier | modifier le code]

Les manivelles sont faites soit en alliage d'aluminium, soit en titane, soit en fibre de carbone, soit en acier chromé ou bien à partir d'un alliage à base d'acier moins cher. Les manivelles tubulaires en acier (comme les Tioga Revolver) peuvent être à la fois légères et très solides. On les trouve généralement sur vélos BMX, mais on commence aussi à les trouver sur des VTTs. Les manivelles en aluminium peuvent être moulées ou forgées à chaud ou à froid (à froid signifie dans ce contexte que le matériau est chauffé à une température très en dessous de son point de fusion, mais pas à température ambiante). La forge à froid donne au matériau plus de résistance ; les manivelles peuvent donc être plus légères sans pour autant perdre en solidité. La manivelle en aluminium Shimano Hollowtech est réalisée en forgeant le bras principal autour d'un insert en acier qui est ensuite retiré. Cela permet de laisser un creux à l'intérieur de la manivelle pour diminuer le poids. Elle est ensuite soudée avant l'usinage final.

Pédales[modifier | modifier le code]

Cale-pied[modifier | modifier le code]

Cet accessoire dont la présence n'est pas obligatoire permet un meilleur rendement : il force un placement du pied à une position idéale sur la pédale, élimine les mouvements du pied, et même permet dans une certaine mesure d'exercer une force de traction.

Divers modèles existent : certains emprisonnent le pied par un serrage avec une courroie. Moins inquiétant, les modèles pour les VTT en plastique ne servent que de buttoir et permettent un dégagement du pied en cas de chute. Enfin, des fixations spécialisées, appelées "pédales automatiques" permettent à la fois une parfaite liaison du chausson à la pédale, et un dégagement facile en cas de besoin.

Fixation[modifier | modifier le code]

Au boîtier de pédalier[modifier | modifier le code]

Il y a beaucoup de manières différentes d'attacher la manivelle à l'axe du pédalier.

  • On utilise une clavette pour fixer les manivelles les plus anciennes sur l'axe.
  • Pour les manivelles plus récentes, on trouve :
    • un axe carré. Il en existe au moins deux dimensions incompatibles (Shimano et Campagnolo ont deux standards concurrents, mais la plupart des pièces des autres fabricants sont au standard Shimano), et deux orientations : en diamant ou en carré.
    • un axe hexagonal (par exemple, les pédaliers de marque Tune)
    • un axe cannelé. Il en existe deux spécifications majeures et de nombreuses plus rares. La cannelure ISIS est sûrement la plus courante car elle est supportée par plusieurs entreprises. L'Octalink de Shimano est aussi un standard propriétaire courant. Il vient en deux formes : la version un pour les groupes XTR, 105, Ultegra et Dura Ace, et la version deux pour tous les autres groupes comme XT, LX et Deore. Truvative et DRM ont aussi leur propre standards d'axe cannelés.
Les manivelles sont maintenues en place et le fretting est empêché grâce à un boulon ou un écrou placé dans (ou sur) l'axe du pédalier. La tête du boulon ou l'écrou est dans un trou à fond plat qui est fileté lui aussi afin que l'on puisse y glisser un extracteur de manivelle. Le trou est souvent recouvert d'une couverture anti-poussière.
  • Même les vélos plus récents ont un axe, généralement creux et d'un diamètre plus large que ce qui est possible avec les boîtiers de pédalier intégrés au cadre du vélo. Le boîtier est fixé à la manivelle droite (Shimano entre autres) ou à la gauche (Race Face). La manivelle gauche s'enfile dans une cannelure et est coincée par une ou deux clavettes (Shimano) ou bien serré sur la cannelure par un boulot sur l'axe (Race Face). La forme creuse allège la pièce sans compromettre la rigidité.
  • Certaines manivelles peuvent avoir jusqu'à 48 cannelures, comme les Profile Design.
  • Sur l'Ultra-TorqueTM de Campagnolo, chaque manivelle est fixé définitivement sur une moitié de l'axe ; les deux demi-axes s'assemblent au milieu du boîtier avec une denture Hirth et un boulon.
  • Certains fabricants ont leur propre standards propriétaires de pédaliers, qui nécessitent de modifier le cadre du vélo. Le standard ouvert BB30 introduit par Cannondale en 2000, gagne en popularité sur les vélos haut de gamme et les fabricants de composants (Zipp, Specialized, FSA).
  • Enfin, beaucoup de vélo d'enfants, de vieux vélos, ou de vélos bon marché, ont des manivelles en une seule pièce, où les deux manivelles et l'axe sont forgés d'une seule pièce d'acier.

Aux pédales[modifier | modifier le code]

Rupture d'une manivelle en aluminium. En clair : Rupture fragile. En foncé : rupture par fatigue.

Les manivelles ont un trou fileté près de leur bord externe pour y loger l'axe de la pédale. Les manivelles pour adultes ou multi-pièces ont un trou de 9/16 de pouce avec 20 TPI (filets par pouce), une combinaison qui semble ne servir que pour cet usage. Les manivelle pour enfants ou d'une seule pièce, utilisent un trou d'un demi pouce. Certaines manivelles sur les vélos pour enfant ont plusieurs trous pour pouvoir déplacer la pédale en fonction de la taille de l'enfant.

Le côté droit (habituellement, le côté de la chaîne) a un filetage dans le sens des aiguilles d'une montre, tandis que le côté gauche a un filetage inverse. Cela permet d'éviter que le filetage ne s'abîme par précession. Cela oblige également l'axe à se dévisser de la manivelle de façon automatique si les roulements de pédales se bloquent.

L'axe des pédales est en acier, et érode petit à petit la manivelle aux endroits de contact. Cela peut même entraîner la cassure de la manivelle, qui survient fréquemment au niveau du trou fileté. Certains fabricants conseillent de mettre une fine rondelle d'acier entre la pédale et la manivelle, mais c'est inefficace car c'est alors la rondelle qui abîme la manivelle.

Étoile[modifier | modifier le code]

Sur les vieux vélos, l'étoile, (la pièce à plusieurs branches qui relie le plateau à l'axe), était une pièce séparée de la manivelle. L'étoile est maintenant fréquemment intégrée aux manivelles récentes du côté de la chaîne. Néanmoins, Middleburn, TA et Surly construisent des manivelles avec étoile détachable, ce qui permet d'utiliser différents motifs de plateaux avec les mêmes manivelles.

Les étoiles ont en général 4 ou 5 branches. On trouve aussi quelques modèles avec 3 branches ou bien jusqu'à 10 branches. Des étoiles à 6 branches étaient répandues par le passé.

Modèle de boulon (BCD)[modifier | modifier le code]

Beaucoup de vélos modernes sont équipés de plateaux amovibles, ce qui permet de les changer lorsqu'ils sont usés, ou de modifier le rapport de vitesse.

Les trous des branches de l'étoile qui servent à fixer le plateau peuvent être de multiples dimensions. On appelle parfois cette dimension BCD (bolt circle diameter). On l'appelle aussi parfois PCD (pitch-circle diameter). Les manivelles sur lesquelles on peut monter un ou deux plateaux auront presque toujours un diamètre de trou unique. Les manivelles sur lesquelles on peut monter trois plateaux auront presque toujours deux diamètres de trous différents : le plus large pour monter les deux plateaux externes, et le plus petit pour monter le plateau du milieu. La plupart des manivelles pour deux plateaux utilisent un diamètre de 110 mm ou 130 mm.

Plateaux[modifier | modifier le code]

Les plateaux servent à entraîner la chaîne qui va ensuite entraîner la roue (arrière, en général). Leurs dents sont en général espacées de manière à ce que chaque maillon de la chaine aille se plaquer contre une dent. Mais par le passé, il a existé des plateaux pour lesquels un maillon de chaîne sur deux correspondait à une dent.

Tailles[modifier | modifier le code]

Par convention, le plateau le plus grand est à l'extérieur tandis que le plus petit est à l'intérieur. Les plateaux peuvent avoir entre 20 et plus de 55 dents. Il y a aussi différentes largeurs de plateau :

  • 3/16" pour certains vieux vélos, certains BMX, les vélos Worksman, et les vélos d'exercice.
  • 1/8" pour les vélos de piste, les BMX, les cruiser, des vélos à une ou à trois vitesses, et quelques rares dérailleurs.
  • 3/32" pour les vélos de route, hybrides, les VTT, des vélos à une vitesse, et des roues libres de 5, 6, 7 ou 8 vitesses.
  • 5/64" pour tous les vélos qui ont des cassettes de 9 ou 10 vitesses.

Matériau[modifier | modifier le code]

Les plateaux sont faits en alliage d'aluminium, en titane, en acier, ou en fibres de carbone.

Fabrication[modifier | modifier le code]

Les manivelles bon marché peuvent avoir les plateaux directement soudés ou rivetés à la manivelle ou l'étoile. Sur des ensembles plus chers, les plateaux sont fixés par des boulons ; s'ils sont usés, on peut donc les retourner une fois pour utiliser l'autre côté non usé des dentures, ou les remplacer ; on peut aussi les remplacer si l'on veut changer le rapport de vitesses.

Lorsque l'on remplace des plateaux, il faut veiller à ce que les trous soient compatibles avec l'étoile.

Les plateaux conçus pour être utilisés avec des manivelles pour plateaux multiples peuvent avoir des rampes ou des broches pour aider lors du changement de vitesse. Le plateau du milieu sur un triple plateau est celui dont la forme est la plus appropriée au changement de vitesse. Le petit plateau est celui dont la forme est la moins modifiée.

Variations[modifier | modifier le code]

Manivelles de tandem[modifier | modifier le code]

Sur les tandems, la contribution au pédalage des deux cyclistes est souvent combinée et coordonnée par les manivelles. Il peut y avoir un second jeu de plateaux, souvent placé du côté opposé au principal. Ce plateau est alors actionné par un jeu de manivelles différent, et est relié à une chaîne séparée. Dans la disposition la plus courante, les deux cyclistes pédalent exactement au même rythme et en phase, mais on peut configurer le système de manière à ce que le pédalage ne soit plus en phase.

Le pédalier de tandem le plus courant a quatre manivelles. Les deux manivelles de gauche ont une étoile et des plateaux reliés par une chaîne de distribution. Seulement une des deux manivelles de droite a une étoile pour la transmission.

Il existe des pédaliers pour tandem qui rendent le pédalage indépendant, ce qui permet à chaque cycliste de pédaler, ou pas, à son propre rythme.

Protège-plateaux[modifier | modifier le code]

Certains pédaliers incluent un protège-plateau qui consiste en un simple anneau de métal ou de plastique, à l'extérieur du grand plateau. Son diamètre est légèrement supérieur au grand plateau pour empêcher la chaîne de toucher ou d'accrocher les vêtements. Les vélos destinés à être utilisés en conditions extrêmes, comme le freeride ou le BMX, ont souvent un protège-plateau très lourd pour protéger les plateaux contre des impacts avec les objets de l'environnement.

Guide chaîne[modifier | modifier le code]

Certains pédaliers utilisés pour le freeride et le VTT de descente disposent d'un guide chaîne. C'est un boîtier en métal ou en plastique qui maintient la chaîne sur les plateaux lors de manœuvres extrêmes. La plupart des guides chaînes ne fonctionnent que pour un seul plateau, mais il en existe quelques-uns, comme le E13 DRS, qui sont disponibles pour des multi-plateaux. Les guide chaînes forment une rainure pour maintenir la chaîne dans l'alignement (pour les modèles à un seul plateau), et une roulette ou pignon en bas pour aider à maintenir la chaîne engagée dans le plateau (rôle de galet tendeur). Ils sont presque toujours utilisés conjointement à des protège-plateaux.

Pédaliers à cliquets[modifier | modifier le code]

Certains pédaliers ont été produits qui incorporaient un mécanisme de cliquets (similaire à la roue libre), pour permettre à la chaîne de continuer à tourner avec la roue arrière (dénuée alors de roue libre) lorsque le cycliste ne pédale pas. Le but de ce système est de permettre au cycliste de changer de vitesses sans pédaler. Le système Front Freewheeling de Shimano (qui n'est plus produit aujourd'hui) en est l'un des exemples le plus courant.

Pédalier sur le côté gauche[modifier | modifier le code]

Dans cette configuration, l'étoile et le plateau sont à gauche. C'est exactement le contraire d'une configuration standard. On doit utiliser ce pédalier avec un moyeu arrière pouvant être entraîné par le côté gauche. Ces moyeux ont en général un filetage dans le sens inverse des aiguilles d'une montre sur lequel on monte une roue libre spéciale, qui a également un filetage inversé, et des cliquets dans le sens inverse d'une roue libre normale. Si le filetage de la roue libre et du moyeu étaient dans le sens des aiguilles d'une montre, le couple appliqué lors du pédalage desserrerait la roue libre.

Le montage côté gauche est parfois réalisé avec des pignons fixes. Vu qu'un pignon de piste correctement installé ne peut pas se desserrer du moyeu, quelle que soit la manière dont le couple est appliqué, on peut l'utiliser du côté gauche sans avoir besoin de pièces filetées dans le sens non conventionnel.

Un pédalier normal pour côté droit ne peut pas être installé en sens inverse pour en faire un pédalier côté gauche. En effet, les filetage des pédales au bout de la manivelle seraient dans le mauvais sens. Même si certains types de pédales pouvaient être installées du mauvais côté, elles se desserreraient au fil du temps sous l'effet de la précession, et finiraient, soit par tomber, soit par abîmer le filetage de la manivelle.

Manivelles indépendantes[modifier | modifier le code]

Il existe au moins un fabricant qui produit un pédalier dans lequel les manivelles tournent de manière indépendante. Il est supposé aider à l'entraînement en exigeant que chaque jambe fasse effectuer un cercle complet à sa pédale.

Il existe un système différent où les plateaux sont montés sur un roulement excentré par rapport au boîtier avec des liens reliant les manivelles droites et gauches aux plateaux. Les manivelles peuvent tourner indépendamment l'une de l'autre sur l'axe du boîtier. Le but est de tirer la manivelle du haut au-delà du point mort haut avant que la manivelle du bas n'atteigne le point mort bas, et ainsi éliminer le point mort lors du pédalage sur des manivelles normales.

Plateaux ovales[modifier | modifier le code]

Initialement développé dans les années 1970 par Edmond Polchlopek, plusieurs fabricants ont depuis commercialisé des plateaux non circulaires, comme le Shimano Biopace[1], le Rotor Q-Rings[2], l'O'symetric[3] ou l'Ogival[4]. Ils sont conçus pour fournir un avantage mécanique variable en différents points du coup de pédale, en changeant le rapport de vitesse en différents angles de rotation en vue d'une meilleure ergonomie[5].

À la fin des années 1980 et au début des années 1990, ce système s'est popularisé et son usage s'est répandu parmi les cyclistes professionnels. Depuis environ 1998, beaucoup de cyclistes professionnels sont revenus a l'utilisation de plateaux circulaires, sans que l'usage du plateau ovale ne disparaisse. Ainsi le coureur vétéran Bobby Julich, Geoffroy Lequatre (O'symetric) et Carlos Sastre (Rotor Q-Rings) continuent de les utiliser. Quelques victoires médiatiques ont contribué à remettre les plateaux ovales sous les projecteurs. En 2012, Bradley Wiggins gagne Paris-Nice, le Tour de Romandie, le Dauphiné libéré et le Tour de France ainsi que l'épreuve contre-la-montre sur route des jeux olympiques de Londres avec des plateaux ovales O'symetric.

D'après les résultats de plusieurs études[6],[7],[8], il semble que la différence entre plateaux ronds ou ovales soit subtile. Toutefois il est admis que le coureur nécessite un temps d'adaptation pour s'habituer à ce matériel, ce qui complique les études comparatives sur le terrain. Les études[9],[10] présentées par les fabricants présentent quant à elles des résultats avantageux pour les plateaux ovales, mais le protocole de test comme les résultats sont régulièrement remis en question.

Pédalier compact[modifier | modifier le code]

Dans le contexte du VTT, le terme de pédalier compact fait référence à des triples pédaliers plus petits, ce qui diminue légèrement le poids, aux dépens d'une usure plus rapide, tout en libérant plus d'espace au-dessus des obstacles. Le rapport typique est de 22/32/44 dents, contre 28/38/48 ou 24/36/46 dents. On les utilise avec des plus petites cassettes pour avoir le même rapport global. En général, on trouve des cassettes avec 11 dents minimum pour des pédaliers compacts, alors que les pédaliers standards ont été pensés pour des cassettes avec un petit pignon de 13 ou 14 dents. Depuis une dizaine d'années, le pédalier compact est le standard dominant en ce qui concerne les pédaliers de VTTs.

Dans le contexte du cyclisme de route, le terme de transmission compacte fait référence aux doubles plateaux avec un diamètre de boulon plus petit (en général, 110 mm), que le standard 130 mm ou le 135 mm de Campagnolo. En 2006, tous les fabricants principaux, comme Shimano et Campagnolo offrent un pédalier compact dans leurs catalogues milieu de gamme et haut de gamme. Aujourd'hui tous les fabricants de vélo propose à titre quasi exclusif des vélos équipés de pédalier compact. Le pédalier compact offre un compromis entre le double plateau de route standard (avec des plateaux de 39/52 ou 39/53 dents) et le triple plateau de route (30/42/52 dents ou 30/39/50 dents). Le pédalier compact a deux plateaux et les rapports sont en général 34/48, 34/50 et 36/50. Cela offre à peu près le même rapport de petite vitesse que le triple, sans avoir besoin d'un troisième plateau, d'un dérailleur avant trois vitesses, et d'un dérailleur arrière avec une longue cage. Shimano et Campagnolo en recommandent l'utilisation et vendent des dérailleurs spécifiques pour les pédaliers compacts, arguant que le changement des vitesses est meilleur. Il évite par ailleurs le "croisement" de chaine.

Si on utilise des cassettes avec petits pignons (par exemple, 11-23), on peut obtenir, avec une transmission compacte, un développement aussi grand que pour des vitesses standards. En fait, un développement de 50x11 sur une transmission compacte est légèrement plus grand que 53x12 sur un jeu standard. Par exemple encore le développement avec un pédalier compact en 34X28 est quasi identique à celui d'un triple plateau en 30 X 25 (2,57 mètres dans le premier cas et 2,54 mètres dans le second).

La transmission compacte a en général un écart plus important entre les deux plateaux. En contrepartie, il permet d'avoir des différences moins importantes à l'arrière en permettant un rapport de cassette plus proche, sauf pour le saut de 9 % entre les pignons de 11 et 12 dents.

Manivelles courbes[modifier | modifier le code]

Les manivelles non droites ont été introduites plusieurs fois, sous différents noms. Néanmoins, tant que la distance de l'axe à pédale est fixe, il n'y a aucun avantage à utiliser des manivelles courbes. Les manivelles courbes sont potentiellement plus lourdes et plus flexibles que les manivelles droites.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]