Tout savoir sur les cadres de vélos matériaux et contraintes !

Quel matériau choisir pour votre nouvelle monture ? Mais qu’est-ce qui fait qu’un vélo est performant et confortable ? Contraintes et ingénierie des matériaux c’est quoi ?

Autant de questions qui vont vous permettre de comprendre les matériaux et les contraintes liées à la fabrication des cadres de vélos, et du coup vous serez plus à même de faire le bon choix lors de votre prochain achat.

Performances et confort : Le rôle du cadre d'un vélo

Avant tout, le choix du cadre est crucial lors de l’achat d’un vélo. En effet, c’est le cadre qui assure le rapport entre la performance et le confort. L’aluminium, le carbone et le titane sont les matériaux les plus couramment utilisés dans la fabrication des cadres de vélos, mais leur choix ne doit pas se faire à la légère.

Il est tentant de croire que le matériau est le seul critère à prendre en compte, mais c’est une erreur. Deux autres éléments sont souvent négligés : le diamètre et l’épaisseur des tubes qui constituent le cadre et la géométrie du cadre lui-même. Cette dernière détermine en grande partie la performance et le confort du vélo, bien plus que le matériau dans lequel il a été conçu.

Les matériaux : un Monde de contrastes

L’aluminium, l’acier, le carbone et le titane ont tous leurs particularités et leurs avantages. Mais pour bien les comprendre, il faut se pencher sur l’ingénierie des matériaux, un domaine aussi complexe que passionnant.

Chaque matériau subit ce qu’on appelle une déformation élastique, c’est-à-dire une déformation réversible. Par exemple, si vous appuyez sur un tube en acier, il se déforme, mais il retrouve sa forme initiale dès que vous relâchez la pression. Chaque matériau a sa propre limite d’élasticité, c’est-à-dire la limite au-delà de laquelle il ne reprendra plus sa forme initiale. Si cette limite est dépassée, le matériau subira une déformation permanente dite plastique, c’est-à-dire qu’il ne retrouvera pas sa forme initiale. Si la déformation plastique est trop importante, le matériau atteindra alors son point de rupture.

Par conséquent, l’aluminium, malgré une réputation de rigidité, est en réalité le matériau le plus malléable, tandis que le carbone, souvent décrié comme fragile, a une limite d’élasticité bien plus élevée que les autres matériaux.

Durabilité des matériaux le facteur Clé !

Un autre élément à prendre en compte lors du choix du matériau est sa durabilité. En effet, tous les matériaux utilisés dans la fabrication des cadres de vélos finissent par perdre certaines de leurs caractéristiques avec le temps, en raison des sollicitations et des contraintes répétées.

La durabilité des matériaux est variable. Par exemple, et de manière assez surprenante, l’aluminium et le carbone ont une durée de vie dynamique de cinq à sept ans, tandis que l’acier peut durer dix ans ou plus, et le titane est considéré comme presque inusable. Attention cela ne veut pas dire que si votre vélo a atteint sa durée de vie dynamique celui-ci est bon à jeter ! . C’est juste que sa structure aura vieilli sera moins performante.

Cadre vélo: 4 Principaux matériaux 

Les cadres en acier

Ce matériau a longtemps été éclipsé par l’aluminium et la fibre de carbone dans la conception des cadres de vélo, souvent utilisé pour les vélos d’entrée de gamme, il fait aujourd’hui un retour en force remarqué. En outre, l’acier est un matériau qui se travaille aisément. Les possibilités de customisation sont donc nombreuses, ce qui le rend particulièrement prisé des amateurs de vélos uniques.

Les cadres en acier sont considérés comme robustes et polyvalents, ce qui les rend adaptés à une grande variété de styles de vélo, tels que le vélo de route, le vélo de randonnée, le vélo urbain ou encore le VTT. L’acier est un matériau résiliant qui sait encaisser les chocs, Il est capable de plier sans casser. De plus, un cadre en acier offre un bon confort de conduite grâce à sa capacité à absorber les vibrations de la route.

Il existe plusieurs types de tubes en acier, chacun ayant ses spécificités :

1. Les tubes en acier chromoly sont souvent les plus prisés. Ils sont composés d’un alliage d’acier, de chrome et de molybdène. Ce mélange confère au cadre une grande résistance pour un poids relativement modéré.
2. Les tubes en acier au carbone sont aussi une option intéressante. Plus légers que les tubes en acier chromoly, ils offrent une bonne résistance à la torsion et sont donc recommandés pour les vélos de route.

L’aluminium, le chouchou des industriels

L’aluminium a su se faire une place de choix dans l’univers du vélo. Facile à produire en série, léger, rigide, il offre de belles performances pour un coût abordable. Même si l’aluminium n’est pas le matériau de prédilection des pros de la compétition, qui favorisent plutôt le carbone, il demeure un excellent choix pour les compétiteurs en devenir. Il permet d’atteindre de belles performances sans pour autant vider son portefeuille.

À la différence de l’acier, l’aluminium est un matériau plus mou. Cela pourrait sembler être un désavantage, mais détrompez-vous. Cette caractéristique lui permet d’être plus facilement modelable.L’un des autres avantages de l’aluminium, c’est qu’il est par nature inoxydable. Contrairement à l’acier, il ne craint pas l’humidité ni le temps qui passe. En somme, c’est un matériau facile à vivre, qui ne demande pas un entretien particulier.

L’aluminium se décline en différentes qualités, avec notamment les séries 5000, 6000 et 7000. Chacune a ses caractéristiques propres, offrant ainsi une variété de rendus et de performances possibles.

Si l’aluminium a de nombreux atouts, il n’est pas exempt de défauts. Sa durée de vie dynamique est ainsi limitée à cinq ans en utilisation régulière. Après ce laps de temps, le matériau commence à perdre de ses capacités à se déformer.

Info : Pour mes vélos Évolution et Evo 16-18 pouces j’ai choisi l’aluminium 6061, alliage de magnésium et de silicium. En plus de sa résistance structurelle, il a une bonne résistance à la corrosion, et il facile à usiner et à souder.

Cadre de vélo : la fibre de carbone

Le carbone, c’est le matériau composite par excellence. Constitué d’une fibre de carbone et de résine époxy, cuites à très haute température, nous obtenons un matériau extrêmement léger et performant sur le plan de la réactivité. Ce n’est pas un alliage de métal comme l’acier ou l’aluminium, c’est une fibre.

Dans le carbone, nous retrouvons deux types de fibres : le carbone HM (High Modulus) et le HR (Haute Résistance). Ces deux types de fibre sont utilisés dans différents endroits du cadre du vélo. Par exemple, le HR est privilégié au niveau du boîtier de pédalier et de la douille de direction, pour une retransmission optimale de l’énergie. Le HM, lui, est utilisé au niveau des haubans et des bases, là où la flexibilité est requise.

Les cadres en carbone offrent un rendement hors du commun, réagissent aux sollicitations du pilote et se déforment pour renvoyer une partie de l’énergie déployée. En bref, c’est un vélo nerveux, dynamique, taillé pour la compétition.

Le seuil élastique du carbone est bien plus élevé que celui de l’aluminium par exemple. Ce qui signifie que pour atteindre son point de rupture du carbone c’est assez difficile mais pas impossible, et à ce moment-là un cadre peut casser net, sans prévenir.

Le titane le nec plus ultra ?

Le titane c’est le matériau des superlatifs, mais l’excellence à un prix. Le titane offre le meilleur compromis entre performance, confort et durabilité. De plus, sa durée de vie illimitée en fait un investissement rentable sur le long terme. Contrairement aux autres matériaux, ses propriétés mécaniques ne s’altèrent pas avec le temps. Si vous n’endommagez pas votre cadre, ses qualités dynamiques seront toujours les mêmes, année après année. Côté poids, le titane reste léger comparé à l’acier et l’aluminium, même s’il est légèrement plus lourd que le carbone.

Le titane, c’est un alliage constitué d’aluminium et de vanadium classé en deux catégories le Grade 9 Ti 3Al 2.5V et le Grade 5 Ti 6Al 4V. Ces chiffres, représentent la composition de l’alliage : pour le Ti 3Al 2.5V, on a 3 % d’aluminium et 2,5 % de vanadium. Pour le Ti 6Al 4V, ce sont 6 % d’aluminium et 4 % de vanadium.

Le Ti 6Al 4V, alliage plus rigide, est utilisé pour les parties du cadre nécessitant une rigidité accrue, comme les pattes de fourche. Cependant, le Ti 3Al 2.5V reste le plus couramment utilisé pour la majorité des cadres en titane.

Un choix qui dépend de vos besoins

En fin de compte, le choix du matériau pour le cadre de votre vélo dépendra de vos besoins et de votre utilisation. Si vous privilégiez la performance et que vous utilisez votre vélo intensivement, un cadre en carbone peut être le meilleur choix. Si vous recherchez un vélo durable pour une utilisation moins intensive, un cadre en aluminium ou en acier pourrait être plus adapté. Et si vous cherchez le Graal de la durabilité, le titane est la voie à suivre.

Gardez à l’esprit que la géométrie du cadre et le dimensionnement des tubes sont tout aussi importants que le matériau lui-même. Un vélo est plus qu’un assemblage de tubes métalliques, c’est une machine complexe qui doit être adaptée à son utilisateur pour offrir le meilleur rendement possible.