Evaluer les performances d’un pneu route : tests de résistance au roulement et d’adhérence

L’amélioration de la performance et de la fiabilité des pneumatiques passe par une analyse très fine des nombreux paramètres et critères qui caractérisent un pneu. Il est donc nécessaire de développer des moyens d’essais spécifiques pour évaluer précisément ces critères. On s’intéresse ici particulièrement à la résistance au roulement et à l’adhérence qui sont deux éléments de la performance et de la sécurité du cycliste. L’amélioration de ces critères ne doit évidemment pas se faire au détriment du poids, du confort et de l’endurance…

1. Mesure de la résistance au roulement des pneumatiques

La résistance au roulement d’un pneumatique correspond à la perte d’énergie liée à la déformation du pneu sur le sol. Elle exerce un effort qui s’oppose à l’avancement du cycliste et qui est proportionnel à la charge verticale exercée (autrement dit le poids du coureur et de son vélo) et au coefficient de roulement du pneumatique. Le coefficient de roulement dépend de la pression de gonflage, de la température, mais surtout de la composition et de la construction du pneumatique.

L’équipe Recherche Mavic a développé un banc de mesure spécifique permettant de mesurer le coefficient de roulement des pneumatiques dans des conditions stables et répétables de laboratoire. Plusieurs corrections mathématiques sont appliquées après la mesure pour se rapprocher au mieux du coefficient de roulement réel que l’on mesurerait sur le terrain. On obtient alors des mesures comparatives qui permettent d’établir un vrai classement entre les pneumatiques, mais surtout d’améliorer la composition des gommes de nos pneumatiques afin d’en améliorer le roulement.

L’architecture de ce banc de test est très fortement inspirée par un moyen de mesure de pneus automobiles défini dans une norme spécifique ISO 28580 :

– Un galet entraîneur d’un diamètre d’1m70 est mis en rotation par un moteur à la vitesse souhaitée. La taille du galet est importante car un galet trop petit (type rouleau de home-trainer) conduirait à une déformation erronée du pneumatique sur le sol et ainsi une mesure faussée du coefficient de roulement.

– Ce galet est également régulé en température pour effectuer les essais dans des conditions similaires. C’est également un paramètre important pour mesurer des choses précises tout au long de l’année.

– Une roue de test étalon équipée de son pneumatique est placée sur un bras triangulaire lié au châssis par un capteur d’effort d’une précision de 0,03 % et repose sur le galet d’entrainement.

– La roue est également chargée avec des masses additionnelles pour que l’écrasement du pneu corresponde à la réalité. Lorsque la roue est entraînée par le galet, on vient mesurer l’effort lié à la résistance au roulement.

De plus, la mise en pression de la roue est effectuée à l’aide d’une valve spécifique et d’un manomètre de précision car la maîtrise de cette pression de gonflage peut représenter une source d’erreur de mesure très importante. En effet, un écart de +/- 0,5 bars (ce qui est largement l’erreur des pompes que l’on trouve dans le commerce) conduit rapidement à des erreurs de +/- 6,5 % sur les valeurs de coefficient de roulement.

Pour tester un pneumatique, 4 cycles sont effectués sur cette machine : un premier cycle de chauffe pour assouplir la gomme et monter le pneu à température pendant plusieurs minutes. Ensuite, on effectue la moyenne des 3 cycles suivants. Chaque cycle est composé de 3 paliers de vitesse allant de 5 à 50 km/h. Au final, on obtient la valeur du coefficient de roulement.

Tous les autres paramètres (charge sur la roue, pression de gonflage, température) sont maintenus constants pour effectuer une vraie étude comparative mais sont paramétrables pour les études de recherche.

2. Mesure de l’adhérence sur sol humide

Le pneumatique est le seul élément intermédiaire entre le vélo et la route. Il permet de transmettre l’énergie motrice du cycliste, de guider sa trajectoire et d’assurer le freinage. L’adhérence du pneumatique sur le sol est donc primordiale pour la sécurité et la performance du cycliste. Elle est caractérisée par le coefficient d’adhérence.

L’adhérence du pneumatique sur le sol fait intervenir 2 phénomènes physiques : l’adhésion (pour vulgariser un peu, ce sont des liaisons moléculaires entre la gomme et le sol) et l’indentation (qui est plutôt liée à la déformation du pneumatique sur la rugosité du sol). Lorsque le sol est humide, les liaisons moléculaires dites de Van-der-Waals (adhésion) sont très fortement dégradées et le coefficient d’adhérence diminue. En conséquence, le pneu va perdre l’adhérence pour un angle plus faible. De plus, seuls les phénomènes d’indentation permettent la liaison du pneu avec le sol sur surface mouillée. Sous la pluie en particulier, le coefficient d’adhérence est donc très fortement lié au type de bitume.

Il est donc essentiel pour la sécurité du cycliste de chercher à améliorer le coefficient d’adhérence du pneumatique sur sol mouillé. C’est pourquoi nous avons développé deux protocoles de test complémentaires permettant de qualifier et de quantifier les pneumatiques en termes d’adhérence sur sol humide.

2.1. Banc de mesure d’adhérence

Ce dispositif, développé par l’équipe Recherche et Développement Mavic permet une mesure précise des efforts du sol sur le pneumatique sur une piste d’essai arrosée en continu. La roue d’essai équipée du pneumatique à caractériser est chargée à l’aide de masses pour simuler l’écrasement du pneu avant (cas le plus critique pour la perte d’adhérence). Elle est montée sur une fourche très rigide instrumentée permettant de mesurer les efforts s’appliquant sur la roue.

Au cours du test, la roue est entraînée à une certaine vitesse par un véhicule tractant le banc d’essai  et les efforts sont mesurés pour différents angles de dérapage (lacet) et de roulis. Cet essai permet donc de comparer entre eux différents pneumatiques et également de caractériser et développer de nouvelles gommes.

Les écarts de coefficient d’adhérence du pneumatique sur sol mouillé peuvent aller de 0,80 pour les moins bons à 1,10 pour les pneus adhérents le mieux.

2.2. Essai terrain sur piste

Un second essai a été mis en place pour évaluer le pneumatique dans des conditions plus proches de la réalité et sur des critères de notation plus subjectifs et qualitatifs, contrairement aux tests sur banc d’essai, plus quantitatifs. Lors de ce tes, un essayeur effectue plusieurs passages en conditions réelles sur une piste de test définie par 2 virages matérialisés par des cônes. Un système d’arrosage vient humidifier la piste. La température du sol est rigoureusement contrôlée car celle-ci affecte également l’adhérence des pneumatiques. En effet, plus elle sera basse, plus l’adhérence sera limitée.

Un même pneumatique est testé à l’aveugle au moins 3 fois par 3 essayeurs différents.

Afin de pousser le pneumatique aux limites, un chronométrage est réalisé pour chaque essai et l’essayeur doit faire au moins un passage à 25 km/h minimum (soit un chrono de 9,00s sur notre piste). C’est ensuite la moyenne des temps de passage qui est réalisée et surtout une notation par l’essayeur du pneumatique avec les critères suivants :

– Adhérence

– Tenue de cap

– Amortissement

– Progressivité

Au final, le pneumatique testé obtient donc une note sur 20 ainsi qu’un temps de passage. Un pneu de référence est utilisé comme étalon au début de chaque campagne de mesures.

Enfin, les résultats des tests terrains et des tests du banc de mesure (coefficient d’adhérence) sont toujours confrontés et sont tout à fait cohérents.

3. Conclusions et utilisation des données

Au terme de ces différents essais réalisés sur le pneumatique, on parvient à le caractériser de manière très précise :

– Résistance au roulement (valeur numérique mesurée)

– Coefficient d’adhérence sur sol humide (valeur numérique mesurée)

– Comportement ressenti sur sol sec et humide selon plusieurs critères.

Tout le travail de notre équipe Recherche dédiée au développement des pneumatiques consiste donc à faire évoluer l’ensemble des caractéristiques des pneus afin d’améliorer ces différents critères, tout en conservant une excellente résistance à la crevaison et une bonne légèreté qui restent des caractéristiques essentielles pour un pneumatique de vélo. Le prochain article du blog sera d’ailleurs consacré à la présentation des caractéristiques du pneu sur lesquelles il nous est possible de jouer afin d’obtenir un pneu répondant pleinement aux performances attendues.

Brieuc Crétoux
Ingenieur Recherche & Développement Mavic

8 commentaires

  • L’évaluation en conditions réelles (la plus significative) semble assez peu quantifiable dans votre protocole. Pourquoi ne pas avoir recours à un capteur de puissance comme dans le cas des tests de Bicycle Quarterly ?

    • @David.
      En effet, on peut reprocher à un banc de test d’être éloigné des conditions réelles. Mais la première chose à savoir, c’est que c’est un moyen comparatif afin d’évaluer tous les pneus dans des conditions similaires et reproductibles.
      De plus, ce banc permet de maîtriser plusieurs paramètres qui influent directement sur le coefficient de roulement :
      – Pression de gonflage à +-/0.1 bars
      – Température régulée
      – La roue utilisée pour le test est connue en masse et inertie, ainsi que les frottements du moyeu, ce qui permet de les inclure dans la mesure et de les déduire.

      Nous effectuons également des tests « terrain » de mesure de résistance au roulement dans des conditions réelles. Ces tests soulignent que le banc de mesure est tout à fait précis (les résultats vont dans le même sens et on retrouve les mêmes classements) mais montrent également qu’un essai en conditions réelles donne des résultats beaucoup trop dispersés :
      – La maîtrise de la puissance motrice (avec un capteur de puissance, même un SRM Lab) n’a rien à voir avec la précision d’un capteur de laboratoire
      – Le tracé sur la route, aussi précis qu’il soit peut être soumis à des aléas
      – La position du testeur n’est pas complètement répétable (même s’il s’applique !)
      – …

      Bref, bien entendu, nous vérifions que nos essais labos ne sont pas complètement déconnectés de la réalité, mais pour effectuer des mesures fiables et répétables, il faut un moyen spécifique, et des conditions maîtrisées.

  • Merci pour cette intéressante page.

    Pourriez-vous placer sur cette page un graphique montrant l’adhérence (ou l’angle de glissement) en fonction de la pression de gonflage, sur sol sec et sur sol mouillé pour telle ou telle gomme, telle ou telle section ? Ou pour un seul pneu d’une seule taille, juste pour saisir si la pression est importante et quel est l’optimum à rechercher pour atteindre la meilleurs adhérence.

    On trouve parfois des graphiques montrant la résistance au roulement en fonction de la pression, mais rien concernant l’adhérence.

    Merci d’avance !

    Lionnel

    • La corrélation entre pression de gonflage et adhérence fait encore l’objet d’étude approfondie.
      En effet, des paramètres extrêmement variables comme les caractéristiques intrinsèques du pneu, les capacités d’absorption des chocs et vibrations du cadre et de la fourche, le centre de gravité, la température, l’hygrométrie, l’état du sol… rendent les analyses terrain extrêmement complexes et les études laboratoires trop réductrices et simplificatrices.
      Une chose est par contre certaine : plus la surface de contact au sol est importante, meilleure est l’adhérence. Pour maximiser l’adhérence, on aura donc tendance à choisir un pneu de plus grosse section gonflé à une pression raisonnable (6.5 bars / 95 PSI pour un ensemble cycliste + vélo de 80kg et un pneu de 25mm).

      Mavic

  • Bonjour, je suis etudiante et je fais des recherches sur l’adherence des pneus au demarrage et sur sol mouille. Pourriez-vous me donner plus d’information sur les formules que vous utilisez pour definir le coefficient d’adherence.
    merci d’avance
    Fanny

    • Bonjour Fanny,

      Merci pour l’intérêt que vous portez à notre article. Au sujet du coefficient d’adhérence sur sol humide, nous le mesurons avec un banc spécifique, tracté derrière un véhicule roulant sur la chaussée (mouillée).
      La roue est chargée verticalement (Fz) et est mise en dérapage (angle de lacet) de 0 à 12° (par pas de 2°) afin de mesurer pour chaque angle l’effort latéral Fy orienté dans l’axe du moyeu.
      La valeur Fy/Fz lorsque la roue est en dérapage (typiquement pour des angles de 8 à 12°) correspond au coefficient d’adhérence sur sol humide. Ces coefficients vont de 0,8 à 1,2 pour les pneus spécifiques pluie.

      EN espérant avoir répondu à votre question.

      Cordialement,

      Brieux (Ingénieur R&D)

  • Bonjour,

    Nous sommes 4 élèves en prépa intégrée d’une école d’ingénieur.
    Nous effectuons notre TIPE sur les roues de vélo.
    Nous aimerions avoir plus d’informations sur les expériences que vous avez réalisées. Serait-il possible d’avoir votre numéro de téléphone ou un mail pour que nous puissions vous joindre ?

    Cordialement,

    Amélie Trotereau