MTB Anatomy #4.2 : l'amortisseur, second volet

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21 août 2022 — Theo Charrier
MTB Anatomy sur les amortisseurs, la suite ! Pour le second volet du 4e épisode de notre série qui explore en profondeur certains sujets bien précis, on se penche sur l'hydraulique de nos amortisseurs. IFP, Thru Shaft, butée hydraulique, ratio ou encore twin tube, tous ces termes n'auront bientôt plus de secrets pour vous avec nos animations et illustrations. Allez, c'est parti :

Si vous avez manqué la première partie de ce long chapitre, n’hésitez pas à la lire en premier lieu puis à revenir ici, les deux volets se complètent :  MTB Anatomy #4.1 : l’amortisseur, premier volet. Avant d’étaler en long, en large et en travers le fonctionnement de la partie hydraulique d’un amortisseur, faisons un petit tour du propriétaire avec ce Marzocchi Bomber.

On s’en doute, tous les amortisseurs ne se ressemblent pas. Cependant, ils possèdent dans la grande majorité des cas une tige agrémentée d’un piston et un corps dans lequel on retrouve logiquement de l’huile, des circuits de compression, voire des circuits de détente et un IFP.

Sur les amortisseurs n’ayant pas de piggyback (ou réservoir externe) comme le Fox DPS ou encore ce Rockshox Deluxe, l’IFP est placé dans le plongeur.

Qu’est ce qu’un IFP ?

L’IFP (Internal Floating Piston), ou piston flottant, est aussi utilisé dans certaines cartouches de fourche. Il permet de compenser le volume de la tige. En effet, lorsque l’on comprime l’amortisseur, la tige rentre dans le corps de l’amortisseur. L’huile étant incompressible, il faut donc trouver un moyen de lui faire de la place. C’est à ce moment que l’IFP recule.

Lors de la phase de détente, l’azote enfermé derrière l’IFP permet de le ramener à sa position initiale.

L’IFP est également utilisé pour éviter l’apparition de cavitation. Afin de comprendre ce qu’est la cavitation, il faut imaginer un amortisseur que l’on comprimerait très rapidement. L’huile serait alors obligée de passer d’un côté à l’autre du piston. Si l’huile ne traversait pas suffisamment vite le piston, la pression de l’huile déjà présente derrière le piston chuterait jusqu’à un certain point où l’huile passerait à l’état gazeux. Afin d’éviter ce phénomène, l’IFP exerce une pression permanente sur l’huile.

Techniquement, si l’amortisseur est bien entretenu et que la pression d’azote ou d’air (l’air étant composé à 78 % d’azote) reste dans la plage définie par le fabricant, il n’y a pas de raison qu’une cavitation ait lieu.

Attention cependant à ne pas confondre cavitation et émulsion, ce sont deux choses bien différentes. L’émulsion est la présence d’air dans l’huile. Cela arrive lorsque l’amortisseur manque d’entretien par exemple. C’est assez reconnaissable, puisque l’amortisseur fait un bruit d’aspiration lors de la phase de compression, et ce quelle que soit la vitesse à laquelle on le comprime.

La face obscure de l’IFP

Si l’IFP est nécessaire pour assurer le bon fonctionnement de l’amortisseur, il pose également quelques problèmes. Le premier étant les frictions engendrées par le joint présent sur celui-ci. Afin de pallier cela, certains fabricants comme Fast Suspension, Öhlins, DVO, EXT ou encore Cane Creek préfèrent remplacer le piston par une membrane. Cette dernière contient un volume d’azote et se déforme lors de la compression de l’amortisseur.

Mention spéciale pour Manitou qui a combiné les deux, en modifiant son IFP afin de placer une membrane au centre du piston. Résultat, lorsque l’huile pousse le piston, elle déforme la membrane avant d’initier le mouvement de ce dernier.

Dans un second temps, l’IFP diminue (améliore) la sensibilité de l’amortisseur. Faites le test, prenez  un amortisseur avec un ressort hélicoïdal et retirez ce dernier. Même sans ressort, il est difficile de comprimer l’amortisseur à la main.

En effet, pour commencer à comprimer l’amortisseur, il faut exercer une force plus importante que celle exercée par l’azote sur le piston flottant. À titre indicatif, la pression d’azote varie en fonction des amortisseurs : elle va de 8 bars à plus de 35 bars chez Fox. Puisque chaque problème a sa solution, certains fabricants utilisent un ressort négatif placé à l’intérieur de la partie hydraulique pour améliorer le déclenchement.

En 2015, X-Fusion a essayé d’utiliser deux IFP. L’idée était de mettre une pression d’air relativement faible derrière le premier IFP, afin de faciliter le déclenchement de l’amortisseur une fois de plus.

Face à ces quelques soucis, plusieurs fabricants ont tout simplement cherché à éliminer ce piston flottant. C’est le cas notamment de Trek avec le système Thru Shaft. En faisant passer la tige de part et autre de l’amortisseur, le volume d’huile reste constant (cf. l’animation ci-dessous) et il n’y a plus de variation à compenser.

Ce système n’est pas nouveau puisqu’il est utilisé en moto par exemple et on le retrouve également dans la Rockshox Judy, que l’on vous avait présentée lors du dernier MTB Anatomy (lire MTB Anatomy #3 : histoire et entrailles d’une fourche). Ce système est censé améliorer la réactivité de l’amortisseur en éliminant les frictions causées par le piston flottant. On remarquera tout de même que ces amortisseurs disposent d’un petit IFP, qui permet simplement de compenser la petite (mais réelle) augmentation du volume d’huile lorsque celle-ci chauffe.

Quelques gouttes d’huile et deux-trois rondelles pour freiner les mouvements d’un amortisseur ?

L’objectif premier de la partie hydraulique est de freiner la compression et la détente de l’amortisseur, en dissipant l’énergie sous forme de chaleur. Concrètement, l’amortisseur (le système) permet… d’amortir les impacts tout au long du débattement, afin d’apporter du confort et une certaine stabilité. Il permet également de ramener l’amortisseur (le produit) à sa position initiale (SAG) le plus rapidement possible sans que celui-ci oscille indéfiniment.

Pour freiner les oscillations de l’amortisseur, on pousse un fluide incompressible, en l’occurrence de l’huile, au travers d’orifices plus ou moins grands. Pour cela, la majeure partie des amortisseurs sont équipés de pistons (mobiles ou fixes) agrémentés de clapets et parfois d’un pointeau.

Dans un premier temps, lorsque l’amortisseur est comprimé lentement, l’huile passe par le circuit des basses vitesses dans lequel elle doit contourner un pointeau. La majeure partie des amortisseurs disposent d’un réglage externe permettant de faire varier la hauteur de ce pointeau. Lorsque la molette de compression basses vitesses est complètement vissée, le pointeau obstrue le plus possible le passage de l’huile. Le fonctionnement de la détente basses vitesses reprend le même principe.

En règle générale, lorsqu’un amortisseur ne dispose que d’un réglage externe pour la compression (ou la détente), c’est un réglage de compression basses vitesses. Il n’est alors pas possible d’influer sur la compression hautes vitesses depuis l’extérieur de l’amortisseur.

Quelques milliers de clapets se trouvent dans cette boîte…

Dans un second temps, lorsque l’amortisseur est comprimé rapidement (on parle bien de vitesse de compression et non de position dans le débattement), le circuit de compression basses vitesses sature. À ce moment, l’huile vient déformer les clapets présents sur le piston pour passer de l’autre côté de ce dernier. Sans ce deuxième circuit, la compression de l’amortisseur serait trop freinée et le choc serait transmis directement au pilote.

On notera que l’on retrouve également des clapets sur le piston principal pour freiner la compression de l’amortisseur.

Sur certains amortisseurs plutôt haut de gamme, on retrouve un réglage externe permettant d’augmenter ou de diminuer le seuil de déclenchement des hautes vitesses (on peut avoir exactement la même chose pour la détente hautes vitesses). Pour ce faire, certains fabricants utilisent un ressort qui exerce une pression sur les clapets : en vissant la molette dédiée, on vient ajouter plus ou moins de précontrainte au ressort, augmentant ou diminuant ainsi l’effort nécessaire pour déformer les clapets.

Vous l’aurez compris, si l’on ferme complètement le circuit de compression basses vitesses, celui-ci saturera plus rapidement et le circuit de compression hautes vitesses entrera en jeu plus tôt pour une vitesse de compression donnée.

Si l’utilisation de clapets et de pointeau demeure universelle, tous les amortisseurs ne se ressemblent pas. Chaque fabricant utilise un empilement de clapets différents, un piston différent, un pointeau différent, une viscosité d’huile différente et une circulation différente.

Suivez le guide

Il arrive parfois que les termes “mono tube” ou “single tube” et “twin tube” soient cités lors de la sortie d’un amortisseur ou d’une fourche. Ces deux termes font référence au sens de circulation de l’huile à l’intérieur d’un amortisseur ou d’une cartouche.

Dans un amortisseur dit “single tube” comme ce Marzocchi Bomber CR, une partie de l’huile équivalente au volume de tige qui entre dans l’amortisseur est envoyée vers le piggyback (le réservoir externe) où elle poussera l’IFP. Ce qui reste d’huile passera au travers du piston.

Lors de la phase de détente, l’huile parcourt le chemin inverse. Une grande partie des amortisseurs du marché sont des amortisseurs mono tube : c’est le cas du DVO Topaz, du Rockshox Super Deluxe, du dernier Fox Float X, du EXT Arma, du Formula Mod, du Öhlins STX22 (Single Tube)…

De l’autre côté, dans un amortisseur “twin tube”, on trouve un deuxième tube (d’où le nom). Lors de la phase de compression, l’intégralité de l’huile est envoyée vers le piggyback (l’huile ne traverse le piston qu’en cas de compression très rapide). Après être passée par le circuit de compression puis par la membrane (ou l’IFP) et éventuellement un circuit de rebond, elle revient derrière le piston par ce deuxième tube.

Durant la phase de détente, ce Öhlins TTX22M (Twin Tube) se comporte davantage comme un amortisseur single tube puisque l’huile n’effectue pas le chemin inverse. Elle passe au travers de la tige ou via le piston. Ce n’est cependant pas le cas de tous les amortisseurs, puisque sur un Fox Float X2 par exemple, le circuit de rebond se situe juste à côté de celui de la compression, entre le réservoir additionnel et le deuxième tube. Moins courant que le single tube, le système twin tube est tout de même présent sur plusieurs amortisseurs : chez Öhlins (tout les modèles TT) et Fox (Float X2, DHX2) mais aussi sur le Cane Creek Kitsuma ou encore sur le Double Barrel, développé au départ avec… Öhlins.

Plus fiable sur les longues descentes, plus intéressante pour dissocier les réglages, réduisant le risque de cavitation et permettant l’utilisation d’un plongeur plus petit (donc moins de frottements), la conception twintube apparaît, d’un point de vue performance, supérieure au singletube. Dans ce cas, pourquoi ne pas l’utiliser partout ?

Chez RockShox, Dimitri Grekoff (RockShox Specialist) et Jon Cancellier (RockShox Product Manager) nous expliquent que le système en lui-même ne fait pas tout, il doit s’accompagner d’un système complexe de valves pour être efficace. S’il est très intéressant sur le papier, il a l’inconvénient d’être plus cher à produire et de faire appel à plus de pièces spécifiques.

La marque a donc fait le choix du monotube de façon à garder des pièces interchangeables entre ses différents niveaux de gammes (Ultimate, Select + et Select), et ce d’autant plus que “sur la gamme Ultimate on a une bonne dissociation hautes vitesses et basses vitesses en compression, tout en tenant compte d’éloigner les risques d’émulsion“.

Même son de cloche du côté de Stéphane Guillaume chez SR Suntour France : “Le twintube vient de la moto, on en faisait beaucoup chez Marzocchi mais c’est trop avant-gardiste pour le vélo, il faut faire simple et efficace. En fabriquer un c’est bien, t’as quelque chose qui marche mais quand il faut en faire un million ce n’est pas pareil, surtout avec les volumes qu’on a chez SR Suntour. Les compétiteurs sont demandeurs de produits très avancés mais je conçois des produits pour les utilisateurs, je suis pas fabricant de fusées.”

“Au fond, je pense que le twintube peut être nécessaire en compétition mais pas pour le pratiquant [moyen], le marché n’est pas prêt à ça. Ça ne veut pas dire qu’on n’en a jamais fait, quand Flo Payet fait 2e aux championnats du monde il roulait avec un twintube mais c’était un one-shot, quelque chose qu’on avait fait spécialement pour lui.”

Comment fonctionne le blocage d’un amortisseur ?

Présent sur certains amortisseurs, le blocage ou le verrouillage a pour objectif de freiner la compression afin d’améliorer le rendement au pédalage. Qu’il soit activé grâce à une commande au guidon ou directement sur l’amortisseur, un blocage n’empêchera presque jamais l’amortisseur d’être comprimé.

À titre d’exemple, lorsque l’on active le blocage du EXT Storia, l’huile est redirigée vers un circuit de compression dans lequel elle doit déformer des clapets. De ce fait, la compression de l’amortisseur est fortement freinée. Lorsque l’on repasse en mode ouvert, l’huile peut contourner ce circuit librement.

A chaque cadre son amortisseur

Si un amortisseur possède des caractéristiques qui lui sont propres, il dépend également du cadre sur lequel il est monté. Nous ne faisons pas allusion ici à l’orientation de l’amortisseur, quelle que soit sa position ses performances demeurent identiques.

Ce qui nous importe ici, c’est le ratio du cadre. Sur une fourche suspendue classique, lorsque la roue avant se déplace d’un centimètre, la fourche se comprime d’un centimètre. Le ratio entre le déplacement de la roue et la compression de la fourche est donc de 1. Certaines fourches plus complexes et basées sur des articulations, comme la Trust Message, affichent toutefois un ratio différent de un.

Avec un amortisseur, le ratio est nettement plus important. En effet, ce dernier ne dispose pas d’autant de débattement qu’une fourche. Pour des raisons d’encombrement, on ne verra pas des cadres montés avec des amortisseurs de 200 mm de course : imaginez, il faudrait installer une Fox 40 ou une RockShox Boxxer quelque part dans le triangle arrière…

À titre d’exemple, le Yeti 160E est équipé d’un amortisseur ayant 65 mm de course et dispose de 160 mm de débattement à l’arrière : cela nous donne un ratio moyen de 2,5. Le ratio est propre au cadre et varie tout au long du débattement. Ici, il commence à 2,9 pour terminer à 2,1 environ. Notons que sur ce vélo, il est possible de décaler la fixation de l’amortisseur afin de faire varier le ratio, dans notre cas l’amortisseur est en position intermédiaire. En règle générale, le ratio est compris entre quatre (au départ) et deux (à l’arrivée).

Comment le ratio influence-t-il le comportement de l’amortisseur ?

Le ratio nous permet d’avoir une idée de la valeur du bras de levier qui existe entre la force appliquée à la roue arrière et la force appliquée sur l’amortisseur. Plus le ratio sera grand, plus le bras de levier sera important. Ainsi, un cadre ayant un ratio élevé en début de course nécessitera un tarage de ressort ou une pression d’air plus importante pour un même sag qu’un cadre ayant un ratio plus faible.

Le ratio permet aussi d’apporter une certaine progressivité. Comme sa valeur diminue tout au long du débattement, le bras de levier devient moins important et il faut donc exercer une force de plus en plus importante pour comprimer l’amortisseur sur une longueur donnée.

Certains vélos possèdent un ratio presque constant, ce qui signifie que le bras de levier garde la même valeur tout au long du débattement. Sur ce type de cadre, il est généralement conseillé d’utiliser un amortisseur à air. Avec son caractère progressif, le ressort pneumatique apportera la résistance nécessaire en fin de course pour éviter de talonner.

Chez certains fabricants, le cadre est spécialement développé pour être utilisé avec un amortisseur à air. Il arrive même que le ratio soit dégressif en fin de course, l’idée étant d’augmenter le bras de levier pour contrer la progressivité du ressort pneumatique et ainsi exploiter toute la fin de course.

Enfin, le ratio permet également d’avoir une idée de la vitesse de compression de l’amortisseur. Si on reprend notre Yeti 160E, lorsque la roue effectue son parcours de 160 mm, l’amortisseur se comprime sur toute sa course.

Néanmoins, en début de course, lorsque la roue parcourt 10 mm, l’amortisseur est comprimé de 3,4 mm. Mais en fin de course, lorsque la roue parcourt la même distance, l’amortisseur voit sa course réduite de 4,8 mm. On a alors une accélération de la vitesse de compression de l’amortisseur.

Ainsi, un amortisseur monté sur un cadre ayant un ratio linéaire n’aura pas les mêmes réglages internes qu’un amortisseur monté sur un cadre ayant un ratio allant de quatre en début de course à deux en fin de course. De cette manière, les fabricants de cadre et les fabricants de suspensions travaillent conjointement afin d’adapter les réglages internes de chaque amortisseur.

La fin de course

Bien que certaines suspensions privilégient l’utilisation d’un ressort air, les amortisseurs utilisant un ressort hélicoïdal ne sont pas forcément à proscrire. C’est alors du côté de l’hydraulique qu’il faudra se tourner pour gagner de la résistance en fin de course. Comment ? On vous expliquait précisément un peu plus haut que la partie hydraulique d’un amortisseur travaille en fonction de la vitesse de compression ou de détente de l’amortisseur et se fiche de savoir si l’amortisseur en début, milieu ou fin de course.

Oui, mais… C’est à ce moment qu’arrivent les butées hydrauliques. Elles sont présentes dans plusieurs amortisseurs comme le Push Elevensix, l’EXT Arma ou encore le nouveau Rockshox Super Deluxe.

De par sa conception, la butée hydraulique est activée seulement en fin de course. Sur le Rockshox Super Deluxe Coil (la butée hydraulique du Super Deluxe à air est quelque peu différente, elle permettra à certain de rouler avec une pression d’air moins importante), on retrouve un piston plein monté au-dessus du piston principal. En fin course, ce deuxième piston pousse l’huile contenue dans un cylindre vers le piggyback. Cependant, le passage de l’huile est obstrué par un pointeau dont la hauteur est réglable depuis l’extérieur de l’amortisseur. De cette manière, la compression est ralentie sur les derniers 20 % de course.

A retenir

Concentrer tout ce qui compose une fourche dans un espace (beaucoup) plus réduit, voilà comment on pourrait résumer un amortisseur. Pour parvenir à cet exploit, les marques ont au fil du temps imaginé de nouvelles solutions, comme la conception twintube ou la butée hydraulique. Ajoutez à cela la contrainte supplémentaire de la cinématique du cadre, du fonctionnement “à nu” de la suspension et vous comprendrez pourquoi chaque amortisseur est différent, y compris au sein d’une même marque voire sur un même modèle entre les différentes tailles.

La première partie de cet épisode sur les amortisseurs, où l’on parle d’histoire et de ressorts : MTB Anatomy #4.1 : l’amortisseur, premier volet

Note : Les animations présentes dans cet article ont pour vocation d’illustrer chaque propos, elles ne s’appuient pas sur les mesures réelles des produits.