Châssis – 1 – Définitions

Première partie du dossier technique châssis, commençons par définir les grandes lignes de la géométrie et de la dynamique d’une moto.

Note avant lecture : Ce dossier cherche à définir de manière accessible les principes fondamentaux d’un châssis moto. Il ne s’agit pas d’un guide de conception, et je n’ai toute façon pas la prétention de pouvoir en fabriquer un à partir de calculs savants tout seul dans mon garage. Les articles de la partie châssis vont s’appuyer sur des ouvrages spécialisés, qui seront systématiquement cités en fin d’article et que je vous invite à consulter si vous voulez approfondir le sujet.
L’objectif visé est d’arriver à la constitution d’un petit guide destiné aux amateurs mordus de technique pour arriver à mieux cerner certains aspects de leur moto et peut-être améliorer la finesse de leur ressenti au guidon, ce qui était tout simplement mon objectif au moment de me lancer dans ce projet.

« It was a good test with the new chassis, we have tried many things and found something good so the rear tyre is working better than yesterday ».

– Un pilote de Grand Prix heureux

Ces pilotes qui ont posé les fesses sur une moto dès le plus jeune âge pour ne jamais en descendre ont développé une vraie sensibilité aux modifications les plus minimes du châssis. Avec l’appui des ingénieurs des différents constructeurs, un changement qui semblerait anecdotique leur permet de gagner de précieux dixièmes qui pourront se transformer en victoire le dimanche.

Pour la caste des motards lambda que nous sommes, ces détails peuvent en revanche paraitre bien loin de nos considérations. En réalité le châssis d’une moto reste une boite noire pour la majorité d’entre nous et à juste titre car il s’agit là d’un ensemble qui, d’une part, dépend principalement de la conception même de la moto et n’est que peu modifiable avec des moyens classiques, et d’autre part, se révèle relativement complexe une fois en mouvement.

Nous allons essayer de mettre une première lumière sur tout ça en abordant les aspects fondamentaux de la géométrie d’une moto et leurs effets sur le pilotage.

Définitions générales

Le feedback

On commence par la définition la plus générale. Le feedback (ou retour d’information pour les Gaulois) qu’offre une moto, correspond aux informations qu’elle arrive à transmettre depuis la route jusqu’aux points de contact avec le pilote : guidon, cale pieds, selle et réservoir principalement. Le retour d’information dépend donc directement de la conception du châssis, puisque des vibrations ou mouvements parasites peuvent impacter la bonne transmission d’infos au pilote.

Le ressenti

Le ressenti est directement lié au feedback car il est ici question de la capacité du pilote à interpréter les messages qu’on lui envoie, lui permettant de réagir en accord. Le ressenti c’est comme les slips : chacun le sien, et heureusement. Deux pilotes montant à tour de rôle sur une moto n’auront pas forcément les mêmes retours selon leur expérience, sensibilité et style de pilotage.

La maniabilité

Terme assez vaste qui englobe la facilité d’une moto et le retour d’information qu’elle offre en dynamique. Il est important de noter que la maniabilité est en grande partie impactée par … le pilote ! Je ne dois pas être le seul à avoir des souvenirs de mes premières frayeurs en moto avec l’impression de conduire un vrai bout de bois qui ne veut plus tourner sur les mètres qui suivent, et pourtant c’est pas la moto qui s’était crispée. On pourra élargir et convenir que le pilote joue, évidemment, un rôle prépondérant dès qu’il s’agit de la dynamique et des mouvements de la moto, c’est –entre autres- ce qui fait la beauté du sport moto.

La tenue de route

Celui-ci est assez transparent, la moto tient la route dès lors qu’elle maintient un contact entre les pneus et le revêtement.

C'est pas faux. - Perceval


Cela va passer principalement par le type et la taille des pneumatiques, mais au-delà de ça le critère majeur au grip est le maintien de la charge verticale au contact des pneus sur la route. Par conséquent la masse et sa répartition, les réglages suspension et la rigidité de l’ensemble auront leur mot à dire.

Stabilité

On distinguera la stabilité de la tenue de route en considérant la première comme la capacité de la machine à maintenir un cap, ou à corriger des variations rapides causées par des forces extérieures (dos d’âne, vents latéraux, …)

Notions géométriques

Les fiches techniques de moto indiquent souvent des valeurs comme l’empattement ou l’angle de colonne de direction. Pour les geeks qui ont joué à la série Ride ou MotoGP de Milestone ce sont également des réglages importants pour faire de bons chronos sur les circuits sinueux, mais pourquoi donc ?

Ride 4 sur PS5 - Réglages direction


Avant de rentrer dans les explications techniques, assurons nous qu’on parle bien de la même chose.

Empattement

L’empattement est la distance entre les centres de rotation des roues avant et arrière, autrement dit la distance entre les axes de roues. Cette valeur variera légèrement en fonctionnement dynamique lors des compression / détente de fourche et de la rotation du bras oscillant. Selon le type de moto on peut voir des écarts assez importants : on a par exemple un empattement de 1545mm sur une Yamaha FJR 2019 qui par nature cherchera à favoriser la stabilité, contre 1410mm sur une GSXR 2020 qui sacrifiera donc une partie de la stabilité pour gagner en agilité.
En considérant tous les autres paramètres géométriques figés, l’augmentation de l’empattement d’une moto sera donc accompagnée de :

  • Une baisse de la rigidité globale (hausse des efforts en flexion et torsion), ce qui aura un impact direct et négatif sur la maniabilité de l’ensemble.
  • Une perte d’efficacité en virage : avec un empattement plus grand la moto verra augmenter le rayon de trajectoire minimum qu’elle pourra suivre en courbe.
  • Comme évoqué précédemment, un gain en stabilité qui se présente sous différents aspects : réduction du transfert de masse lors des phases d’accélération / décélération, réduction des instabilités générées par les imperfections de la route et moins de vibrations sur la colonne de direction.

Par conséquent, et comme pour une grande majorité des critères de conception d’une moto, l’empattement est un compromis à trouver et dépend de l’utilisation faite de la moto. On comprendra aisément le besoin d’avoir de disposer d’une capacité de réglage fin dès lors que l’on recherche la performance de haut niveau.

Chasse ou déport

La chasse est une valeur dont on entend moins parler que son angle, mais qui est pourtant aussi importante si ce n’est plus. Elle se définit comme la distance entre le point de contact du pneu avec la route, et le point d’intersection de l’axe de direction avec le sol. Le déport a un impact sur la stabilité globale et sur la facilité à emmener la moto.

On parle de déport positif lorsque les points de contact de chaque pneu se situent derrière l’intersection de l’axe directionnel et du sol, ce qui est le cas de toutes les motos classiques.

Ce qui va suivre peut au départ paraitre contre-intuitif -ça l’a été pour moi en tout cas- car on peut penser que pour suivre une trajectoire il suffit de poser sa roue avant dessus et de suivre le cap. Si on y regarde de plus près ce n’est pas exactement ce qui se passe et on peut s’en rendre compte très simplement en schématisant les vitesses dans le plan de la route.

Les schémas suivants cherchent à décrire ce qui est à l’origine de la réaction route / pneu qui permet de prendre un virage. Pour plus de clarté on schématise ici les réactions à plat, sans prendre en compte les autres paramètres propres à la moto (effet gyroscopique, forme du pneu, …), à l’image d’un pneu de voiture.

Position rouge avant et trajectoire tangente au virage

En cherchant à placer la roue directrice en plein sur la trajectoire à tout instant, on finirait droit dans l’arbre qui est en face. Alors certes ça simplifie les schémas mais c’est rarement une bonne nouvelle. La faute à la physique qui nous renvoie à une définition de base de la mécanique : à tout instant le vecteur vitesse aura comme support la tangente à la trajectoire. On comprend donc qu’on va avoir besoin d’un élément supplémentaire pour déclencher le virage.

En ligne droite la vitesse effective est la même que la vitesse observée à la circonférence de la roue. Donc pas de décomposition des vitesses. Pour venir décomposer les vitesses et créer une composante vers l’intérieur du virage on va avoir besoin d’un élément pour perturber l’équilibre du système, et cet élément sera la rotation de la roue avant vers le centre de la trajectoire.

En créant un angle par rapport à la vitesse effective, celle-ci va se décomposer en deux composantes : la vitesse à la circonférence de la roue (qui deviendra plus faible que la vitesse effective), et une vitesse normale orientée vers l’extérieur : la vitesse de glissement.

Triangle des vitesses roue avant en virage

Ce glissement sera contrebalancé par l’adhérence des pneus sur la route, dont résulte un effort qui nous envoie vers l’intérieur du virage : la force centripète. Pour la composer, on retrouve la force latérale répondant à l’angle de glissement, et une force de résistance à la marche (puisque la roue a ralenti).

Efforts du pneu en virage

Pour mieux visualiser on peut prendre l’exemple d’une voiture. Contexte : vous venez d’avoir le permis, on est dimanche, il fait beau, et vous décidez d’aller faire le kéké du gymkhana sur le parking d’Auchan. Pour slalomer entre les caddies vous prenez des virages très serrés, et même sans toucher aux freins la voiture ralentit de manière relativement importante.

C’est parce que -en considérant ne jamais dépasser la limite d’adhérence des pneus- prendre un virage très sec (imposer un angle de glissement important) résultera en une force résistante élevée, à l’origine du ralentissement naturel du véhicule. A l’inverse, essayez la même manœuvre sur une route verglacée et vous êtes garantis de continuer tout droit : pas d’adhérence donc pas de réaction possible à l’angle de glissement imposé.

Alors je vous entends d’ici : « Osef de tous ces vecteurs ! on était juste partis sur la définition du déport »

Pas content ! - Asterix et Obelix Mission Cleopatre

En fait, c’est directement lié si on souhaite comprendre le rôle physique du déport.

On s’est dit plus haut que la quasi-totalité des motos a un déport positif. Par conséquent les efforts liés à l’angle de glissement, associés à la valeur de déport, vont créer un couple qui aura tendance à ramener la roue dans l’axe de déplacement du véhicule. C’est aussi la raison qui explique le déséquilibre ressenti en franchissant un trottoir par exemple : d’un coup, le point de contact passe devant l’axe de direction, entraînant un déport négatif et les effets opposés.

En extrapolant, on remarquera aussi que l’angle de chasse agit en influant sur le bras de levier.

Couple de rétablissement vue de côté et dessus

Ce couple résistant va aussi se ressentir en virage (plus ou moins d’effort à maintenir au guidon pour maintenir la rotation de la roue), mais aussi en ligne droite. Comme pour le corps humain, l’équilibre à moto n’est jamais dû qu’à une succession de corrections d’états de déséquilibre : en ligne droite, on passe son temps corriger inconsciemment mais constamment le cap pour rester droit (même si l’effet gyroscopique aide beaucoup).

Angle de chasse

L’angle de chasse est mesuré entre la verticale et l’axe de direction, défini par le cadre sur nos châssis classiques. Attention à une nuance toutefois : dans la majorité des cas l’angle de chasse est le même que l’angle de fourche (fourreaux parallèles à la colonne de direction), mais il existe des exceptions et ces grandeurs sont à distinguer.

Schéma angle de chasse

En dynamique, sur des motos à fourche télescopique, l’angle de chasse a tendance à varier du fait de l’enfoncement de la suspension et de la flexibilité de l’ensemble : il se réduit sous l’effet d’un gros freinage (roue avant qui se rapproche du moteur), et augmente lors des accélérations. Comme pour l’empattement, l’angle de chasse varie en fonction du type de véhicule : plutôt faible sur des motos sportives il s’élargit sur des routières.

En 1984, Tony Foale a expérimenté plusieurs angles de chasse sur une BMW R75/5, dont un angle de chasse nul (fourche à la verticale en amont de la zone de contact du pneu). Il a mis en avant que l’angle de chasse n’apporte, en soi, rien de particulièrement bénéfique sur le ressenti et la stabilité. La valeur clé reste le déport. Cependant il ne faut pas s’arrêter à l’étude des vitesses : l’angle de chasse aura un effet positif sur la rigidité, en reprenant d’une manière plus optimale les efforts au freinage par exemple. Encore une fois tout est question de compromis.

Rigidité du châssis

Pour qui s’intéresse d’assez près aux courses moto, la rigidité du châssis est un point dont on entend beaucoup parler. Pour entamer le sujet on peut repartir du point précédent : l’angle de chasse. En considérant les efforts au freinage notamment, cette fois-ci le résultat est assez instinctif. Les efforts de la roue et des étriers sont retransmis au châssis par le pied de fourche, pour simplifier ici on ne considère que la roue, les efforts étant retransmis par son axe.

Une décomposition des efforts montre qu’en appliquant un angle de chasse positif sur une fourche télescopique, on réduit l’effort normal appliqué au niveau de l’axe de roue. L’effort de freinage sera décomposé en un effort de flexion et un effort de compression. Par conséquent on réduit la flexion sur la fourche et on retarde tous les phénomènes que cela peut engendrer lors d’une utilisation extrême (ovalisation des tubes, arc-boutement, micro-blocages, …). L’effort de compression va amener une diminution du bras de levier (distance entre la colonne de direction et l’axe de roue), ce qui sera bénéfique dans la gestion du moment fléchissant sur un gros freinage, mais pas sur la gestion dynamique.

Triangle efforts sur la fourche au freinage

On pourrait légitimement penser : « ok mais si je veux, je mets un angle de chasse nul avec une fourche ultra rigide non ? » Oui… mais en pratique non. Le fondateur de Lotus a déjà expliqué pourquoi et sera plus concis que moi :

Light is right.

Colin Chapman

Effectivement on peut choisir de rigidifier l’ensemble, mais toutes choses égales par ailleurs (i.e. contraintes similaires et même technologie de fourche télescopique) il sera plus judicieux d’optimiser la reprise des efforts plutôt que de sur-dimensionner les composants. Pour une valeur de déport donné, appliquer un angle de chasse parait plus sage car il permettra d’alléger l’ensemble à iso rigidité.

 « Alors vive le tout rigide ! »

Pas vraiment. Le compromis rigidité / flexibilité est un sujet complexe qui pose encore beaucoup de questions à haut niveau de compétition. Il serait bien ambitieux de vouloir l’expliquer ici. On peut cependant noter que pendant plusieurs années on a vu une course à la rigidité chez les constructeurs jusqu’à ce que ça cause de nouveaux problèmes. Un exemple marquant a été les difficultés rencontrées par Ducati en MotoGP lors de la dernière décennie.

On notera que les fourches télescopiques lorsqu’elles sont utilisées dans des conditions extrêmes comme c’est le cas à haut niveau, génèrent des réactions parasites qui leurs sont propres et le châssis doit dans l’idéal les absorber sans les retransmettre.

Même problématique lorsque la moto se retrouve plein angle à plus de 60°, les suspensions ne travaillent plus dans leur axe et le cadre doit montrer une souplesse latérale relative pour absorber les efforts et conserver au mieux le grip des pneus.

Enfin, on a vu que l’enfoncement de la fourche était bénéfique pour compenser l’augmentation du moment fléchissant au freinage mais cela implique un transfert de charge sur la moto, qu’on cherchera à limiter au maximum. Pour y parvenir, une solution est de durcir les ressorts de suspension, qui finiront par assumer plusieurs rôles que celui d’uniquement amortir les chocs.

Nous avons beaucoup parlé de la relation entre les suspensions et la rigidité, et pas vraiment abordé la rigidité propre au cadre. C’est un parti pris car il semble aujourd’hui qu’en compétition la recherche du cocktail parfait entre flexibilité et rigidité soit intimement lié aux les limites d’utilisation des suspensions standard. On en revient au refrain de chaque fin de paragraphe : tout est question de compromis (ou de changement de technologie, mais c’est encore un autre sujet).

Références

  • FOALE, Tony. Motorcycle handling and chassis design – the art and science
  • COSSALTER, Vittore. Motorcycle dynamics (second edition)
  • MARTIN, Si. Article MCN du 21 février 2018
  • BRYANT, Jacob – GRANT, Allysa – WALSH, Zachary. Motorcycle rear suspension. Project RD4-ABCK 26 avril 2018

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