La taille des manivelles
Longueur des manivelles
Pour rouler en eBike on a développé un pédalier avec des manivelles en 150 mm.
On devrait tous rouler avec des manivelles courtes, même en vélo sans assistance. Voici pourquoi.
Oubliez vos apprioris
Lorsque l'on pense haute cadence, le premier reflexe est de s'attacher à ce que l'on connait.
"oui mais tu as moins de puissance, car moins de bras de levier"
Faux, on a effectivement moins de bras de levier et donc moins de couple mais la cadence va venir compenser naturellement cela.
"oui mais ça doit être plus cardio de pédalé en haute cadence"
et encore non :
\text{Haute Cadence} \neq \text{Haut cardio}mais :
\text{Haute Vélocité} = \text{Haut cardio}Le problème c'est qu'on se raccorche à des choses que l'on connait. Or on a jamais changer de taille de manivelles. Et de ce fait plusieurs "a priori" viennent compliquer la comprehension de l'effet réél de la taille des manivelle.
Mes tests de puissance maximum
J'ai effectuer des tests de puissance maximum sur mon VTT équipé d'une roue arrière avec un moyeu capteur de puissance.
Une adaptation d'une roue de vélo de route à permis de faire cela.
avoir le capteur de puissance sur la moyeux c'est la meilleur chose à faire pour ce test en condition "presque" réelles, puisque tous les changements interviennent en amont du moyeux.
pour effectué ce test j'ai fait 3 sprints en 150mm puis 3 sprints en 170mm et enfin 2 sprint en 150mm pour mélanger les efforts.
Puissance peak max
le sprint le plus puissance a été réalisé avec les manivelles en 170 mais les 5 sprints avec les manivelles en 150 sont bons est bien groupés. Les sprints avec les grandes manivelles sont moins homogène.
L'ensemble des deux catégories se mélange plutôt bien.
Puissance max sur 4 secondes
Sur le calcul de l'aire sous la courbe pendant 4 secondes de sprint, les différences sont encore moins marqués sauf pour le mauvais sprint en grandes manivelles qui est vraiment moins bon.
Les avancées scientifiques
Physiologiquement, on est capable de maintenir une puissance égale sur un grand range de longeure de manivelle.
entre 140 et 190 mm il n'y a pas de différence significative [@2001-Martin], bien que cela paraisse contre intuitif, car avec moins de bras de levier on a un couple de pédalage plus faible.
Mais sans cadence le couple n'est rien. Et la puissance encore moins.
Puissance
Il faut comprendre que le couple n'est pas une finalité en soit, mais c'est bien la puissance qui compte.
La puissance est toujours le produit d'une force par une vitesse.
P = FVDans le cas d'un système tournant, cela devient le produit du couple par la vitesse angulaire.
P = \tau\dot\thetaOù P représente la puissance en watt, \tau le couple en Nm et \dot\theta la vitesse angulaire en radian par seconde.
D'ailleur on pourrait facilement faire intervenir la notion de force et vitesse en introduisant R, la longueur des manivelles en mètre [m].
P = FR\dot\thetaoù F est la force d'appuie/tirrage sur les pédales et R\dot\theta devient la vitesse en m/s, aussi appelée vélocité.
Vélocité et cadence
On confond facilement la notion de vélocité V et de cadence C. C'est normale pour une longeur de manivelle donnée, elles sont égales à une constante près.
V = R\dot\theta\\
V = \frac{2\pi}{60} RCEn effet la vélocité c'est vraiment la vitesse moyenne du pied, et elle s'exprime donc en m/s, tandis que la cadence c'est la vitesse angulaire, exprimée en tour pas minute.
Le lien entre cadence C [tr/min] et la vitesse angulaire V [rad/s] est :
\dot\theta = \frac{2\pi}{60} CTandis que le lien entre vélocité et vitesse angulaire est la longueur des manivelles R.
Ce qui est intéressant de remarquer c'est qu'il est tout à fait possible de conserver la même vélocité en compensant R par C. Soit en augmentant la cadence si la longueur des manivelles est plus courte. D'ailleurs physiologiquement c'est ce qui se passe naturellement. Le corps est plus sensible à la vélocité qu'à la cadence. Tant qu'on reste sur des valeurs raisonnables, c'est à dire en 130 mm et 190 mm de bras de manivelle.
Unitées
| Grandeur | Symbole | Unité | Relation |
|---|---|---|---|
| Longueur manivelle | $R$ | m | |
| Force | $F$ | N | |
| Couple | $\tau$ | Nm | $FR$ |
| Cadence | $C$ | tour/min | $\frac{60}{2\pi}\dot\theta$ = $\frac{60}{2\pi}\frac{V}{R}$ |
| Vitesse angulaire | $\dot\theta$ | rad/s | $\frac{V}{R} = \frac{2\pi}{60} C$ |
| Vélocité | $V$ | m/s | $R\dot\theta$ |
| Puissance | $P$ | Watt | $VF = FR\dot\theta = \tau\dot\theta$ |
Conserver la vélocité
Avec des manivelles plus petites, pour conserver la même vélocité, on va augmenter la cadence, d'après la formule suivante
V = \frac{2\pi}{60} R_1 C_1\\
V = \frac{2\pi}{60} R_2 C_2avec R_1, R_2 les deux longeurs de manivelle et C_1 et C_2 les cadences associées pour conserver la vélocité.
d'où l'on tire :
C_2 = \frac{R_1}{R_2}C_1par exemple en passant de manivelles en 170 mm à des manivelles en 150 mm, notre cadence passera de 90 rpm à 102 rpm.
Ça peut paraitre haut mais c'est la même vélocité, simplement on fait plus de tours. Ce n'est pas plus difficile à manitenir que 90 tr/min avec des manivelles en 170 mm. Il faut se rappeler que le pied doit parcourir 12.5 cm de moins pour faire un tour.
Remarque: On peut penser qu'on passera plus souvent au point mort, mais on passera aussi plus souvent au point efficace. Les points morts, comme les points efficaces, durent moins longtemps et tout semble se compenser.
Remarque: d'un point de vu physiologique, ce n'est pas la cadence qui change le coup métabolique mais bien la vélocité et la puissance.
Problème du rapport de transmission
Cette augmentation de la cadence va nous obliger à changer de rapport de transmission pour ne pas pédaler plus en force qu'avant.
Donc on va avoir tendance à passer un rapport de plus pour mouliner et pour continuer à faire avancer autant de maillons de chaine par seconde qu'avant.
Mais plus malin encore, on peut se permettre de changer de taille de plateau pour la descendre d'un cran
D_2 = \frac{R_2}{R_1} D_1où D1 et D2 le nombre de dents des plateaux avant et après changement de manivelle.
Par exemple en pédalant à 60 tr/min avec un plateau de 34 dents, on fait avancer la chaine de 34 dents par seconde.
En passant de 170 mm à 150 mm de longueur de manivelle, la cadence augmente de 60 tr/min à 68 tr/min. Pour continuer à faire avancer 34 maillons par seconde il nous faut un plateau de 30 dents.
Ainsi voici 3 tableaux d'équivalence
| plateau [dents] | manivelle [mm] |
|---|---|
| 30 | 170 |
| 29.1 | 165 |
| 28.2 | 160 |
| 27.4 | 155 |
| 26.5 | 150 |
| plateau [dents] | manivelle [mm] |
|---|---|
| 32 | 170 |
| 31 | 165 |
| 30.1 | 160 |
| 29.2 | 155 |
| 28.2 | 150 |
| plateau [dents] | manivelle [mm] |
|---|---|
| 34 | 170 |
| 33 | 165 |
| 32 | 160 |
| 21 | 155 |
| 30 | 150 |
Effet sur la cinématique
Attention toutefois, reduire la taille du plateau n'est pas anodin. Pour la cinématique ça modifie tous les effets liés à la chaine tel que l'antirise, et le kickback.
La tendance va être d'augmenter l'antirise ainsi que le kickback.
Voici ici l'exemple pour le Rocky Mountain Altitude en passant d'un plateau de 34 dents en rouge à 32 dents en bleu.
On voit par exemple que le vélo passe d'un antirise autour de 100% au SAG (50 mm) à 105% lorsque l'on passe de 34 à 32 dents pour les pignons entre 24 et 50 dents (courbes les plus foncées).
pour le pignon de 10 la différence est encore plus marquée (courbes les plus claires).
Par la même occasion le kickback augmente aussi
Avantages
Au final, 3 choses changent. 2 materiels la longueur des manivelles et la taille du plateau et 1 physiologique, puisque la cadence de pédalage va naturellement augmenter et les avantages sont nombreux :
- Moins de risque de taper une pédale, voire le plateau.
- Jambe arrière qui sature moins lors des longs runs en isométrie
- Bassin plus parallèle au guidon, donc symétrisation du ride, facilitation des virages côté pied avant, plus proche du pilotage moto.
- Moins de poids
- Moins de contraintes sur les genoux et les hanches
- Réduit la fatigue en pédalant debout
- Réduire le temps d'augmentation de la puissance sur un sprint [@2009-Macdermid]
Inconvenients
- Il faut penser à augmenter sa hauteur de selle d'autant que la modification des manivelles pour respecter l'assise. Soit 1 cm de moins de longueur de manivelle -> selle plus haute de 1 cm.
- Ça peut rendre la selle génante lors des descentes (dans ce cas il faut prendre une tige de selle avec plus de débattement.)
- Le pied extérieur en bas dans les virages est moins bas qu'avant.
- Quelques erreurs de manipulation pendant la phase d'apprentissage.
- Les vélos n'étant pas étudiés pour utiliser des petits plateaux, Ceci risque de modifier la ligne de chaine et d'augmenter le kickback et rendre l'antisquat trop important.
- Est-ce que l'investissement en vaut vraiment la peine, puisqu'on ne gagne pas de puissance.
En eBike
Limite de vitesse moteur
Bien que l'idée primaire vient de l'eBike pour pouvoir pédaler partout dans des montées compliquées. Ce n'est pas forcément le meilleur cas d'application.
Car les moteurs sont dimensionnés autour d'une cadence optimale de pédalage.
Si cette cadence est proche de votre cadence naturelle avec un pedalier de 170 mm, alors votre cadence sera trop haute avec un pédalier de 150 mm et vous ne serez plus en phase avec votre moteur.
Bien sûr le moteur acceptera tout de même cette cadence suplémentaire mais le risque c'est de se heurter plus souvent à sa vitesse maximale de fonctionnement.
Efficience du moteur
Toutefois, les moteurs électriques sont plus efficient à haute cadence et donc facilité le maintient des hautes cadences par un pédalier plus court semble être une bonne idée et être un gain d'autonomie théorique.
Conclusion
Beaucoup d'avantages à rouler avec des pédaliers à manivelles courtes. Le 150 mm est vraiment bien mais semble extrême aujourd'hui car les vélos ne sont pas conçus pour. Mais ça me paraitrait cohérent que d'ici quelques années le 160 mm devienne la norme en VTT. Et que le 155 mm ou 150 mm deviennent de réelles options.
Anexe : Rocky Mountain powerplay et galère de pédalier
Sur le Rocky-Mountain, le moteur est propre à la marque. Et le système est relativement singulier par rapport à ce qui se fait sur le marché. En effet le plateau est indépendant du moteur. c'est un pignon moteur indépendant de celui-ci qui permet d'assiter le cycliste.
Cependant, il faut tout de même créer un système de roue libre au niveau du pédalier pour assurer une indépendance entre le pédalier et le moteur comme c'est le cas sur tout type de moteur (le moteur ne doit pas entraîner les pédales). Cela est réalisé grâce à un spider. Celui-ci a été créer autour d'une empreinte de pédalier CINCH, utilisée par RaceFace et Easton. C'est simplement une empreinte de fixation de manivelle sur axe de pédalier. Les vélos rocky mountain étant vendus avec des pédaliers RaceFace.
Aujourd'hui des marques développent des manivelles courtes pour eBike. On trouvera par exemple chez Miranda des manivelle en 150mm pour moteur Bosch. Mais le pédalier Rocky, utilisant cette empreinte Cinch, n'existe qu'en 165mm au plus petit.
C'était donc une vraie mission pour pouvoir essayer cette combinaison.
J'ai alors fait appelle à Ultim'8 Workshop, pour réusiner mon pédalier RaceFace Turbine de 170 à 150.
Il font fait un superbe travail, et je les remercie bien.
