Les premières motos étaient essentiellement des bicyclettes motorisées. Pour accueillir des moteurs plus puissants, les fabricants ont commencé par doubler la partie inférieure du cadre, créant ainsi les premiers cadres simples berceaux dédoublés. Par la suite, afin d'améliorer la rigidité, le berceau a été dédoublé directement à partir de la colonne de direction, élargissant ainsi la structure et la rendant plus rigide.
L'importance de la rigidité du cadre
La rigidité d'un cadre de moto est un facteur essentiel pour la maniabilité et la stabilité. Un cadre rigide permet à la moto de mieux réagir aux sollicitations du pilote et de maintenir une trajectoire précise, en particulier dans les virages.
Il est important de noter qu'une tôle est naturellement souple. Cependant, en y ajoutant des plis et des nervures, on augmente son épaisseur globale, ce qui améliore considérablement sa résistance à la flexion.
L'influence des tubes sur la rigidité
L'épaisseur des tubes qui composent le cadre joue également un rôle important dans sa rigidité. Il existe deux façons d'augmenter la rigidité d'un tube :
- Augmenter l'épaisseur de ses parois : cette solution est lourde et peu efficace, mais relativement économique.
- Augmenter le diamètre du tube tout en diminuant son épaisseur : cette solution ne modifie pas le poids du tube, mais augmente considérablement sa résistance à la flexion. En effet, la résistance à la flexion croît proportionnellement au rayon du tube élevé à la puissance 4.
C'est pourquoi les cadres VTT "oversize" ont gagné en popularité. Ce qui compte, c'est le volume des tubes, qu'ils soient ronds, rectangulaires ou carrés. Cependant, les tubes fins posent des problèmes de fabrication industrielle : ils peuvent plisser lors du cintrage et nécessitent une grande habileté pour être soudés. C'est pourquoi on trouve des tubes épais et lourds sur les vélos d'enfants et les motos utilitaires.
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L'évolution des cadres dans les années 80
Les années 80 ont marqué un tournant dans la conception des cadres de moto. Cette métamorphose est due à l'augmentation de l'adhérence offerte par les pneus radiaux, qui mettaient à mal les cadres trop fragiles des machines de l'époque.
Pour gagner en rigidité sans augmenter le poids, les constructeurs ont imaginé des cadres doubles longerons. Ces structures volumineuses et légères offrent une grande rigidité. Très éloignée du cadre de vélo originel, la structure devient plus large, ce qui est favorable à sa raideur, tout en utilisant des profilés qui ont eux-mêmes une grande rigidité naturelle. Le gain en performances est donc énorme et s'applique avec le même succès aux bras oscillants.
Cependant, certains constructeurs sont allés trop loin, créant des motos excessivement rigides, de véritables "bouts de bois". De plus, l'encombrement devenait trop important, ce qui nuisait à l'aérodynamique.
Les matériaux de construction des cadres
Outre l'acier, de nombreux autres matériaux sont utilisés dans la construction des cadres de moto, chacun offrant ses avantages et ses inconvénients.
- Aluminium : Presque trois fois plus léger que l'acier, l'aluminium est également trois fois moins rigide. À résistance égale, il en faut donc 3,4 fois plus que l'acier. Son utilisation est particulièrement optimisée sur les cadres doubles longerons, qui permettent de réduire les épaisseurs à des valeurs industriellement acceptables. Un cadre Delta Box en acier serait si fin qu'il se déformerait en appuyant dessus à la main, et sa soudure serait très délicate.
- Titane : Très prisé en vélo, le titane n'a jamais vraiment percé en moto, faute d'y être autorisé par les règlements techniques.
- Carbone : Il est difficile de statuer sur le carbone, car l'orientation du tissage et celle des efforts introduits jouent énormément. On ne remplace pas une pièce métallique par une pièce identique en matériaux composite, il faut la concevoir différemment pour bien orienter les efforts et les contraintes.
- Magnésium : Encore plus léger que l'aluminium, le magnésium se prête bien aux fonderies. On le retrouve sur de très belles italiennes, qu'il s'agisse de monobras ou de cadre coque. Il est plus rigide que l'aluminium à poids égal.
Chaque matériau a ses domaines de prédilection, et ce qui compte surtout, c'est ce qu'on en fait.
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Les cadres coques
L'impression 3D offre désormais d'incroyables possibilités avec des matériaux nouveaux. En groupant plusieurs fonctions dans une même pièce, on peut remplacer le cadre par une structure plus globale, à l'image des coques autoporteuses automobiles qui ont depuis longtemps remplacé les châssis.
Kawasaki s'y risque avec ses ZX 12 R et autres 1400 ZZR, mais aussi Ducati avec ses Panigale. Exit le cadre, ici c'est la boîte à air qui fait office de coque. On diminue le nombre de pièces, mais aussi l'encombrement et le poids de la moto. C'est tout bénef'… Enfin presque, car en GP, le pilote peine à cerner les réactions d'une machine qui ne lui "parle plus", comme si elle avait un cadre. Ducati qui a dû revenir en arrière et adopter un cadre double longerons sur ses machines de GP, persiste et signe cependant sur ses Panigales, V2 ou V4.
Chez Buell, l'approche était différente, avec un très volumineux cadre double longerons qui faisait aussi office de réservoir d'essence. D'autres artisans comme JBB, alias Jean-Bertrand Bruneau, poussent le bouchon plus loin. En supprimant aussi la fourche avant, qu'il remplace par une paire de triangles, JBB élimine l'effet levier qu'elle provoque et qui contraint outrageusement le cadre. En reprenant directement les efforts au niveau de l'axe de roue, sans les démultiplier, il réduit les contraintes. Ainsi, il attache ses triangles directement sur le moteur, qui n'a du coup plus besoin d'être conçu pour puisque les efforts sont ici 3 ou 4 fois plus faibles qu'au niveau de la colonne de direction. Le gain de poids et d'encombrement est optimal.
Le treillis tubulaire
Le treillis tubulaire n'a pas fini de nous surprendre. On le voit qui revient en force en GP sous la houlette de KTM. Les raisons de son succès ? Sa structure triangulée qui ne fait travailler les tubes qu'en traction et en compression. Le treillis tubulaire affiche un excellent rapport poids/rigidité. A ce jour cela reste un très bon compromis, tout à fait compétitif face aux cadres double longerons, comme on a pu le voir cette saison en Moto2.
L'exemple des motos Boardtrack
Les courses sur les anneaux de vitesse en bois aux États-Unis ont donné naissance à des motos de course spécifiques, les Boardtrack Racers. Ces motos avaient en commun la recherche du poids minimal. Une Indian Boardtrack Replica (1917) est un exemple parfait de cette philosophie : cadre abaissé, aucune suspension avant ou arrière, petit réservoir, pas d'échappements. Plus civilisée que les modèles des débuts à transmission directe, sans frein, carbu toujours ouvert avec un simple bouton de masse pour contrôler le V-Twin de 1 100cc qui propulsait le tout à des vitesses inavouables.
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Indian Motorcycle et le cadre simple berceau
La marque Indian Motorcycle Manufacturing Company, fondée en 1901, a également utilisé le cadre simple berceau sur certains de ses modèles. Par exemple, l'Indian 1000 Racer Replica (1912) était équipée d'un cadre simple berceau sous le moteur V-Twin. À partir de 1909, les Indian abandonnent la partie-cycle dite diamant pour un cadre simple berceau baptisé loop frame améliorant la rigidité et abaissant le centre de gravité.
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