Tout ce que vous devez savoir sur le châssis d’une moto : un squelette à l’épreuve de la route

Quand vous roulez, vous avez intérêt à ce que le cadre de votre moto électrique soit bien conçu. Il subit tellement de contraintes que croyez-moi, il faut avoir confiance.

Julien Vaïssette

Fanatique d'Excel, adepte de Camus & ingénieur en mécanique ・ Suivez la conception de mon prototype de moto électrique en cliquant ici.

concevoir chassis moto électrique © jean charles barbe
  1. Pourquoi le châssis est-il si important

    Ce qu’il faut bien comprendre, c’est que le cadre est la colonne vertébrale d’une moto électrique. S’il est mal conçu, il déstabilise toute la géométrie du véhicule. Alors l’idée est de trouver le meilleur compromis, pour faire face au mieux aux chocs, à la résonance et à la fatigue. Mais tout ça est résumé ici.

  2. Comment choisir (ou concevoir) le châssis idéal

    L’organisation de cette partie est simple : d’abord, on va parler des différents types de cadre. Ensuite, on va jeter un oeil aux différents matériaux.

  3. Le châssis que nous avons choisi pour notre moto électrique

La phase d’élaboration de notre moto électrique est une période particulièrement excitante. J’ai la délicieuse impression que chaque nouveau sujet me rapproche de la version finale de la moto.

Je devance les éléments, et je joue aux apprentis démiurges. Chaque moto que je croise est une source d’inspiration et de réflexion. Je regarde tous les détails qui pourront nous aider à produire la moto dont on rêve.

Puis vient le jour où tout doit s’assembler.

Le moteur, la batterie, les roues, les suspensions. Tout est censé tenir ensemble, en un seul et même corps.

Chaque élément est un organe, et il faut donner la vie à l’être de chair qui ne demande qu’à exister.

Mais il manque la structure. Et je n’avais jamais pensé à ça.

C’est vrai, il ne m’est jamais venu à l’idée de regarder exactement comment est fait un cadre de moto. Pour moi, un châssis, c’est simplement fabriqué grossièrement pour maintenir ensemble chacun des organes.

Pourtant, maintenant que j’y pense, ça me parait beaucoup moins simple.

Où doivent s’insérer le moteur et la batterie ? Comment relier la colonne de direction au bras oscillant ? Sans compter que le châssis doit être assez rigide pour supporter les caprices de la route.

Nous voilà donc bien obligés de répondre à toutes ces questions, et à de nombreuses autres.

cadre moto électrique © jean charles barbe

Vibrations, rigidité, coûts, légèreté : tout ce que l’on exige d’un bon cadre

Dans ces situations de crise, il faut savoir prendre les choses dans l’ordre. Nous n’avions pas réfléchi au châssis de notre moto électrique, c’est un fait. Mais nous pouvons d’ores et déjà nous rassurer : faute avouée à moitié pardonnée.

Même si le pardon n’est pas exactement ce que l’on recherche, c’est toujours ça de gagné. Voilà, la conscience est lavée, nous pouvons passer à la suite.

Bon. La première étape, c’est un petit point vocabulaire. Et ce n’est pas du luxe.

Tout au long de cet article, je vais parler de châssis et de cadre.

J’emploierai les deux termes de manière indifférenciée, puisqu’ils ont strictement le même sens. Mais je risque de dire plus souvent « châssis », pour une raison parfaitement injuste : je le trouve plus fonctionnel.

Un cadre, c’est mille choses. C’est à la fois une carcasse de fenêtre et la bordure ornementée d’un tableau.

Alors qu’un châssis, c’est un châssis. C’est-à-dire l’ossature mécanique d’un véhicule. Et puis l’accent circonflexe. Mon dieu, cet accent circonflexe.

Je parlerai donc de châssis. Les trois coups viennent de résonner, nous pouvons donc entamer.

Le châssis, colonne vertébrale de notre moto

Commençons donc par les éléments dont nous sommes sûrs. À l’inverse de Socrate, il y a un point dont je suis sûr : une moto n’est rien d’autre que deux roues avec un moteur.

Le reste, c’est pour le folklore : la suspension Öhlins parce que ça fait sérieux, et la selle en cuir parce que c’est joli. C’est vrai, votre moto pourra se passer de ces fioritures, elle roulera quand même. Ça sera certes au prix de douleurs lombaires, mais au moins, vous serez des vrais de vrais.

Bon. Une fois n’est pas coutume, je vais devoir me désavouer.

Car oui, la formule est belle. Et elle est presque vraie, puisque nombreux se sont amusés à dépouiller autant que possible leur bécane afin de n’en garder que la substantielle moelle. À commencer par les cafe racer, chères à nos fils Instagram.

Mais quand on regarde les légendaires cafe racers qui peuplent nos réseaux sociaux, leurs anatomies sont quand même plus élaborées que celle que je viens d’énoncer. Pourtant, on compte assez peu d’éléments.

Mais malgré la nudité, il y en a un qui persiste : le châssis.

Voilà ce que j’avais oublié dans ma formule. Une moto, c’est deux roues, un moteur, et un châssis. Mieux, le châssis est ce qui permet à la moto d’exister.

Car sans lui, les organes mécaniques de notre moto ne seraient pas reliés entre eux. Ce qui rendrait la moto modestement fonctionnelle.

Mais ça, c’est évident. Trop évident. Et donc pas intéressant.

La vraie mission du châssis n’est pas seulement d’offrir une passerelle entre les éléments mécaniques. Et dieu merci. Car ça serait bien ennuyant.

Non, la principale mission du châssis est encore plus évidente. Si évidente qu’on l’oublie. Comme quand on cherche nos lunettes alors qu’elles sont sur notre nez. La voilà :

Le châssis est indispensable pour relier la roue avant à la roue arrière.

Le cadre de notre moto électrique est donc une colonne vertébrale, en bonne et due forme. Sans elle, les organes peuvent fonctionner, les poumons respirer, le cœur battre. Mais sans elle, il nous est impossible de tenir debout.

Pour notre machine d’acier, la métaphore se retrouve.

Sans châssis, le moteur peut parfaitement tourner et être alimenté par la batterie. Les clignotants peuvent eux aussi allumer leurs lumières agaçantes, et les roues peuvent même être entrainées par la courroie ou par la chaîne.

Mais sans châssis, impossible de relever la moto, et de s’y asseoir.

Sans châssis, pas de virées au bord de l’océan, et encore moins de départs musclés aux feux rouges. Pas non plus de moustiques écrasés sur la visière ou de moucherons coincés dans la gorge. Quel gâchis.

Ainsi, nous avons devant les yeux le premier rôle que notre châssis devra remplir : la jonction nécessaire entre les deux roues.

En y regardant plus en détail, le rôle du châssis apparaît encore plus spécifiquement. Nous pouvons le voir dans le dessin en dessous : ce ne sont pas les roues qui se lient directement au châssis, mais la fourche (sur laquelle s’accroche le guidon) et le bras oscillant.

N’éprouvons pas le besoin alors d’ajouter plus de complexité et de redondance à cette liaison. Le châssis se contentera alors de relier la fourche avant avec le bras oscillant, ce qui est largement suffisant.

schéma fourche chassis bras oscillant

Et puisque ce rôle de jonction entre le bras oscillant et la fourche est le premier rôle du châssis, il apparaît nécessaire que ce soit du travail bien fait.

Je crois que sur ce point, nous sommes tous à peu près d’accord : quand on a une mission, on essaie de bien la remplir.

Dans la vraie vie, cet impératif est assez simple à retranscrire en actes. Le boulanger s’active à produire le meilleur pain, et le garagiste à rendre votre voiture performante et sûre.

Qu’en est-il pour le châssis ? Bien relier la fourche et le bras oscillant, ça veut dire quoi ?

Le cadre, dernier maillon de la géométrie de notre moto électrique

Relier la fourche et le bras oscillant cache une réalité beaucoup plus complexe qu’il n’y paraît.

Car le cadre, bien que simple en apparences, a une responsabilité à l’ampleur affolante : celle d’être la pierre angulaire de la géométrie de notre moto. Et nous allons le voir plus tard, il a bien du courage.

À nouveau, pas de panique, prenons les choses dans le bon ordre.

Nous venons de le voir, le châssis fait la jonction entre la fourche et le bras oscillant. Ça, c’est validé.

Le châssis est donc le dernier élément structurel de notre moto, qui vient s’ajouter aux autres pour leur donner vie. Et c’est sans doute la notion la plus importante à comprendre, dans l’optique de saisir les enjeux auxquels il va répondre.

Voilà pourquoi : lors de la conception, on se fixe un cahier des charges.

On veut que notre moto fasse ci et fasse ça, qu’elle ait telle accélération, telle vitesse maximale, telle agilité, etc.

Une fois que ce cahier des charges est fixé, il faut s’asseoir à la table à dessin.

Quand on est bien assis (en position ergonomique, ça va de soi), on tente de matérialiser nos exigences en dessinant la moto dont on rêve.

On veut telle puissance ? Alors on choisit tel moteur. On désire telle autonomie ? Alors on s’oriente vers telle batterie. Ça, je ne vous l’apprends pas.

Mais une moto se définit aussi par sa stabilité, sa capacité en virages et son agilité. Et tous ces paramètres parfaitement virtuels sont asservis à la géométrie de notre moto.

On préfère telle stabilité ? Alors on opte pour tel empattement. On espère telle réactivité ? Alors on conçoit telle direction.

Ça, c’est moins évident.

C’est pour cette raison que j’ai écrit deux articles au sujet de la géométrie. Le premier traite de l’empattement, et le deuxième – je vous le donne en mille – traite de la direction.

À ce moment de la conception, notre moto ressemble à un Quasimodo raté. En d’autres termes, c’est une Quasi-moto. Je ne suis vraiment pas sûr de cette blague. Mais je vous sais assez indulgents pour me pardonner les mauvais jeux de mots.

Enchaînons.

Donc à ce stade, notre moto est presque prête. Il ne manque que le châssis, pour joindre la fourche et le bras oscillant. Et ce n’est vraiment pas le moment de tout gâcher.

Car nous avons passé un temps infini à décider de la géométrie de notre moto, et nous ne voulons surtout pas y toucher.

schéma empattement angle de chasse

Le châssis devient alors le danger numéro 1 de notre conception : s’il est mal pensé, il est capable de modifier toute la géométrie que nous avons soigneusement choisie. Et ça, c’est hors de question.

Il ne manque qu’à ajouter le cadre.

Qu’à cela ne tienne, nous dessinons un cadre, qui semble fonctionnel. Puis il faut d’entre nous s’assoie sur la moto. Je me dévoue. Et là, un terrible drame s’abat sur nous :

schéma géométrie modifiée par le poids du motard

Le châssis que nous avons choisi n’est pas assez rigide, il s’est affaissé lamentablement. Mais le drame est ailleurs.

En s’affaissant, le châssis a provoqué une suite catastrophique de modifications de la géométrie, si bien que la moto ne ressemble plus du tout à ce que nous voulions.

L’empattement s’est allongé, et l’angle de châsse a gonflé plus que de mesure. Nous n’avons donc plus aucune maîtrise sur ces 2 paramètres dont l’importance est capitale.

Nous voilà avertis.

Il est hautement nécessaire de prendre en considération le châssis et son impact sur la géométrie pour éviter les mauvaises surprises, qui peuvent s’avérer dangereuses.

Voyons donc comment garantir une intégration du châssis sans désastre.

La science du compromis dans un châssis de moto

Le premier impératif du châssis est donc de ne pas changer la géométrie.

Facile. Il suffit qu’il soit assez rigide pour ne pas fléchir sous le poids des sollicitations, qu’elles viennent du motard ou du parcours.

Certes. Mais comment ?

Facile, encore. Il suffit que le cadre soit massif. C’est vrai, on met une poutre bien rustique, qu’on a trouvée dans la grange de papi, et ça devrait le faire, non ?

Non. Car la poutre de papi – et je dis ça en tout bien tout honneur – est bien trop lourde. Elle est effectivement très rigide, mais son poids va réduire drastiquement les performances de notre moto. Et ce n’est pas vraiment notre but.

Car qui dit poids supplémentaire, dit moteur plus puissant. Et qui dit moteur plus puissant, dit consommation plus grande de ressources.

Ce qui est évidemment en totale contradiction avec l’ambition de construire une moto électrique plus économe en ressources énergétiques.

Alors ça serait plus compliqué que ça ? Et on devrait procéder par compromis, en essayant de répondre au mieux aux exigences que nous nous sommes fixées ?

Oui. Et c’est l’éternel problème de la mécanique.

Il est toujours possible de produire des machines plus puissantes, plus robustes, plus durables. Mais ça aura toujours un prix. Qu’il soit écologique, financier ou social.

La mécanique est la science du compromis – le châssis de notre moto en est le passionnant exemple.

Si nous nous en tenons seulement à des enjeux évidents, le châssis devra répondre à trois exigences : il sera sommé d’être à la fois être rigide, léger et le moins cher possible.

Note : en réalité, il y a bien plus de contraintes à ce problème d’optimisation. Mais rester sur les trois que je viens de citer est largement suffisant pour se casser la tête.

Le compromis à trouver est un vrai numéro d’équilibriste, car ces trois paramètres se repoussent constamment, comme deux aimants avec la même polarité :

  • Ce qui est rigide et accessible est rarement léger (comme l’acier de base),
  • Mais ce qui est léger et rigide est souvent très cher (comme le titane),
  • Et ce qui est léger et accessible est ordinairement assez peu rigide (comme le carton).

Ainsi, face à cette impossibilité physique, il faut bien trouver une solution.

Solution 1 : ignorer un paramètre du cadre

La première est simple, et consiste à se concentrer sur deux paramètres quitte à oublier le troisième.

De cette manière, les motos de luxe ou de compétition peuvent se permettre de trouver un châssis à la fois rigide et léger, puisque le prix n’est pas un problème.

À l’autre bout du spectre, les motos d’entrée de gamme aux performances médiocres opteront pour une solution économique et rigide. Le châssis alourdit la moto, mais les performances ne sont pas prioritaires. Le client sait à quoi s’en tenir, et tout le monde est satisfait.

Bien à eux, mais nous ne boxons pas dans la même catégorie.

Nous, on veut une moto qui coûte un peu moins qu’un rein (un demi-rein, par exemple) et qui soit capable de nous donner des frissons sans nous mettre en danger.

Ce n’est pas rien, j’en conviens. Ce qui m’amène à la deuxième solution qui existe pour répondre à cette impossibilité physique.

Solution 2 : optimiser la structure du châssis de notre moto

En réalité, c’est assez logique.

Nous n’avons que deux leviers activables : le matériau et la structure du cadre. Puisqu’aucun matériau existant est à la fois rigide, léger et accessible, il ne nous reste que le deuxième levier.

Ça tombe assez bien, puisque cette fois, nous avons une belle palette de possibilités pour répondre à nos exigences.

Et ça tombe vraiment bien, car c’est exactement ce que nous allons étudier dans la suite de l’article.

Mais tous ces efforts auront été vains si notre châssis se désagrège comme une vulgaire structure de mikados. Et vous savez quoi ? Ça pourrait arriver.

Alors avant de s’extasier, je vous propose de jeter un œil prudent aux menaces qui pourraient inquiéter notre châssis.

Les mille menaces que doit affronter le châssis

Bon, je dis avec fracas qu’il y a mille menaces, mais en réalité il n’y en a que trois.

À nouveau, nous avons affaire à un rythme ternaire. À croire que c’est fait exprès. Le dieu des motos (Keanu Reeves, on sait que c’est toi) y est certainement pour quelque chose.

Sans plus attendre, les nommées pour le titre de « menace de l’année » sont : les chocs, la résonance et la fatigue.

L’ordre d’énoncé est rarement anodin. Ça se vérifie ici, puisque les menaces sont classées de la plus évidente à la moins évidente. Et puis, nous ne sommes pas de ceux qui aiment briser les ordres établis pour le plaisir de le faire, alors nous allons respecter l’ordre énoncé.

Commençons donc par les chocs.

Les chocs, la menace évidente

Celui-là est facile à assimiler.

Nous avons vu plus tôt que la première mission du châssis consiste à fléchir le moins possible sous les divers chargements. Pour parvenir à ce résultat, il suffit de connaître à l’avance les sollicitations auxquelles il devra faire face.

La sollicitation la plus évidente est le poids : celle du motard, du chargement et le poids propre de la moto.

Dans un monde parfait, il suffit de faire des calculs (assez simples) pour s’assurer que la flexion du châssis sera minimale.

Et là, paf, un choc ! Lui, il n’était pas prévu dans nos calculs de chargement.

schéma chassis moto électrique qui casse sous le choc

Il était si peu prévu que le châssis a rompu sous la violence du choc.

Si vous vous retrouvez dans cette situation, vous pourrez penser à moi, chantonnant « voilà c’est fini », sourire aux lèvres au moment où j’esquissais le dessin précédent.

C’est ici qu’intervient la résilience, ce mot très en vogue aujourd’hui.

La résilience est la capacité d’un matériau à résister aux chocs.

Dans notre cas, c’est essentiellement la résilience de tout le châssis qui nous intéresse. Alors comment faire pour éviter la casse ?

Pas simple, mais faisable.

L’idée est de faire des calculs pour prévoir les chocs qui pourraient être délétères.

La suite consiste à les rendre hautement improbables : soit en augmentant la résilience du système, soit en constatant que les chocs dangereux n’arrivent qu’en conditions anormales de conduite.

La résonance, la menace invisible

Maintenant que les chocs sont compris, nous pouvons passer à la deuxième menace : la résonance.

Si vous savez de quoi je parle, félicitations. Sinon, vous pouvez directement vous rendre dans cet article, et vous y verrez plus clair.

Cette deuxième menace est plus vicieuse que la première, puisqu’un œil extérieur peut difficilement la prévoir. Son principe est simple : le sol excite votre moto, par ses bosses et ses creux.

Théoriquement, les suspensions sont censées isoler votre moto des vibrations engendrées par le sol irrégulier.

Mais les suspensions ont un pouvoir limité. Et si la résonance intervient, elles vous isolent comme elles le peuvent, selon leurs qualités.

Si bien que, si le sol excite votre moto avec une certaine fréquence, la résonance peut faire des dégâts.

schéma chassis moto électrique qui casse par résonance

La raison est (elle aussi) très simple : lorsque la résonance traverse le châssis, elle rend les contraintes qui le parcourent infiniment grandes. Et le châssis n’étant pas infiniment rigide, il finit par rompre.

Alors, comment faire pour se protéger de ce phénomène ?

C’est laborieux, mais faisable.

Il s’agit de faire une analyse vibratoire de notre moto, pour observer les fréquences à éviter (on les appelle les fréquences propres).

La première étape est de se débrouiller pour rendre l’excitation des fréquences propres hautement improbable. La deuxième étape est de concevoir des suspensions dignes de ce nom.

Et roulez jeunesse.

La fatigue, la menace fantôme

Nous en venons enfin à la troisième menace : la fatigue.

Celle-là est très poétique. Il se dit que le phénomène de fatigue a été découvert à la douce époque de la conquête de l’ouest du continent américain.

Si vous avez lu Lucky Luke, vous savez comme moi que le sport national – outre de tuer des indiens – était de construire des chemins de fer. Comme toute pièce mécanique, les rails des chemins de fer étaient conçus pour résister aux chargements qu’ils étaient censés endurer pendant leur vie de labeur.

Mais au bout de quelques années, immanquablement, ils finissaient tous par se casser. Pourtant, ils avaient été calculés pour résister à bien pire qu’un passage de train.

C’est à ce moment que naquit la notion de fatigue.

La fatigue est exactement ce que dit son nom : une pièce se fatigue, à force d’être utilisée.

Plus précisément, la pièce perd en rigidité au fur et à mesure que les cycles de chargement se succèdent – jusqu’à rompre, d’épuisement.

Il y a de quoi pleurer de désespoir, puisque la sollicitation semblait être largement à sa portée. J’en parlerai plus en détail dans un article dédié. Mais pour le châssis, il vous suffit de retenir les paragraphes précédents.

Le cadre de notre moto électrique ne fait pas figure d’exception.

Il sera lui aussi confronté à cette succession périodique de chargements, essentiellement causée par les irrégularités de la route. Cette succession à l’apparence bénigne peut alors s’avérer fatale.

schéma chassis moto électrique qui casse par fatigue

Le dessin l’illustre assez bien. Les bosses sont anodines.

Mais la 10000ème est certainement la bosse de trop. Le châssis se casse, et tout le monde rit de votre mésaventure.

Alors, comment éviter ça ?

Même refrain : ça demande des calculs. Il y a des modèles qui permettent de calculer la tenue en fatigue des matériaux.

L’idée est alors de chercher les points faibles de notre châssis, pour ensuite pousser au maximum le nombre de cycles à partir duquel le matériau rompra de fatigue.

En d’autres termes, nous ne sommes pas au bout de nos peines. Et un bilan des rôles du châssis s’impose.

Un bon cadre de moto, en quelques mots

Si je dois respecter la promesse de ce titre et ne m’en tenir qu’à quelques mots, voilà comment je décrirais la situation :

  • Le châssis devra être assez rigide pour ne pas fléchir et impacter la géométrie soigneusement choisie ;
  • il s’agira ensuite de qu’il soit à la fois rigide, léger et pas trop cher ;
  • enfin, il aura la responsabilité de ne pas sourciller malgré les menaces des chocs, de la résonance et de la fatigue.

Bon. Ça fait effectivement beaucoup.

Mais regardez autour de vous : malgré l’apparente noirceur de notre constat, les motos peuplent abondamment nos routes.

Ça veut certainement dire qu’il est possible de produire un châssis capable de relever les missions Sisyphéennes que nous lui destinons.

J’en veux pour preuve la brillance de mes yeux à l’idée d’étudier les possibilités immenses qui s’offrent à nous.

On se croirait face à une prairie couverte de coquelicots, avec chaque fleur rouge qui évoque la possibilité d’un cadre. Nous les voyons se démarquer sur des kilomètres, à perte de vue. Autant de tâches de peinture qui peuplent le tableau impressionniste de notre imagination.

En avant, l’aventure vient à peine de commencer.

Un champ de possibilités infini pour les cadres de motos

Nous voilà donc parfaitement conscients des enjeux auxquels notre châssis devra faire face.

C’est une excellente rampe de lancement. Car sans le diagnostic dont nous venons d’accoucher, il semble impossible de proposer des solutions pertinentes.

Maintenant, il nous reste à trouver ce que nous cherchons, car l’infinité des possibilités peut être écrasante. Mais comme à notre habitude, nous allons les éplucher avec méthode, afin de trouver le châssis optimal.

Les différentes structures de châssis de moto

Ainsi, le châssis de notre moto devra être conçu pour relier la fourche et le bras oscillant.

Jusqu’à présent, j’ai innocemment dessiné une simple poutre grise qui se chargeait de cette mission. Mais les plus observateurs d’entre vous auront noté que la réalité est souvent différente.

Car si le châssis n’était qu’une simple poutre, l’intégration du moteur serait parfaitement impossible.

Et que dire d’une moto sans moteur ? Ça serait une draisienne. Amusante, certes, mais assez peu fonctionnelle.

Nous venons donc d’ajouter une dernière contrainte au châssis : il devra permettre de monter sans trop d’encombres tous les organes mécaniques de notre moto.

Sans trop d’encombres ? Vous verrez assez vite ce dont je veux parler.

Passons donc aux solutions qui s’offrent à nous pour répondre à ce besoin impérieux de polyvalence.

Le cadre à berceau, le plus simple

La première solution est comme souvent la plus évidente. Une moto, ce n’est rien d’autre qu’un vélo motorisé.

Alors afin de fabriquer un cadre de moto, il suffit de prendre un cadre de vélo, le rigidifier un peu, et lui permettre de soutenir un moteur assez massif.

Pour rigidifier un cadre de vélo, vous n’aurez qu’à le doubler.

C’est-à-dire que vous prenez 2 cadres de vélo, et vous les soudez en vis-à-vis. De cette manière, vous le rigidifiez grandement, et il pourra mieux supporter les hautes vitesses qu’un modeste vélo de route.

fabriquer un chassis de moto avec un cadre de vélo

Ensuite, il ne reste qu’à trouver comment accrocher un moteur à tout ça.

Et dans l’état actuel du dessin, vous sentez bien que ça va être compliqué. C’est là qu’intervient le berceau. Et il porte magnifiquement son nom : on va simplement prévoir un berceau pour le moteur.

Il viendra se loger confortablement dans le berceau, qui le soutiendra par en dessous.

schéma cadre berceau moto

Le cadre à berceau est donc le cadre historique des motos.

On le trouve sur de très nombreuses motos, de leurs débuts à aujourd’hui. Sa grande simplicité lui permet d’être compétitif en termes de prix et de légèreté.

En revanche, sa plus grande force est aussi son plus grand défaut : ce type de châssis est assez faible structurellement.

Ce qui le rend peu pertinent en conditions compliquées de conduite, avec des vitesses élevées ou en terrain accidenté.

En effet, le châssis est censé relier de manière la plus rigide possible la fourche et le bras oscillant. Nous l’avons vu, le plus rigide serait de mettre une poutre bien épaisse. Mais ça rend impossible le logement du moteur.

Le problème, c’est que pour loger le moteur, nous avons fait strictement l’inverse : nous avons laissé un grand creux à l’endroit où nous avions mis la poutre, et nous avons mis des tubes qui relient tant bien que mal l’avant et l’arrière.

Ce qui est évidemment faible en rigidité, puisqu’on remplace une poutre conséquente par 2 modestes tubes cintrés.

Ces cadres sont donc parfaits pour les motos citadines ou vintage qui n’ont aucune envie de rouler pendant des heures dans la forêt ou sur autoroute.

Esthétiquement, c’est certainement le cadre le plus beau, puisque très discret. Vous pourrez le retrouver sur votre Harley ou votre Triumph préférée.

Finalement, le cadre à berceau est très pratique et économique, mais ses performances laissent à désirer.

Je le garde dans ma besace, car il est très beau, mais je préfèrerais quand même un cadre qui inspire une meilleure robustesse. Car la sécurité prime sur tout le reste, et j’ai peu envie de déroger à cette règle.

Le cadre poutre, pour de la rigidité tout en simplicité

Afin d’explorer les autres solutions de châssis, tâchons de ne pas reprendre le raccourci que nous avons pris plus tôt. Nous avons occulté l’exigence de rigidité pour trouver un logement pour le moteur.

Dorénavant, nous allons partir d’une base autre que le vélo, puisque le résultat n’était pas entièrement satisfaisant.

Cette base, nous la connaissons bien, puisque c’est elle que nous avons utilisée depuis le début de l’article : le châssis modélisé comme une poutre rigide.

L’idée est alors très simple, et consiste à prendre un cadre à berceau et à le rigidifier sérieusement.

Pour y parvenir, il suffira de remplacer la partie supérieure du cadre à berceau par un gros tube qui se rapproche le plus possible de la liaison avec le bras oscillant.

schéma cadre poutre moto

Grâce à cette idée, nous avons le meilleur des deux mondes : un cadre rigide grâce à la poutre, et optimisé pour y intégrer un moteur. Idéal, non ?

Non, pas vraiment.

Car en réalité, on est loin du meilleur des deux mondes.

La rigidité est certes bien meilleure, mais elle n’est toujours pas optimale. Elle le serait si la poutre était directement reliée avec le bras oscillant au niveau du point rouge.

Mais si c’était le cas, il serait presque impossible de fixer un moteur dans le berceau prévu.

Alors on trouve un compromis qui – malgré son potentiel de rigidité – est assez peu satisfaisant. Ainsi, on aboutit à une rigidité limitée et un volume disponible pour le moteur limité, lui aussi.

Une autre solution est de cintrer la poutre supérieure, pour laisser plus de place au moteur. De cette manière, le berceau n’est plus forcément nécessaire, et on peut alors se permettre de monter un moteur plus lourd.

Mais c’est un nouveau compromis, puisqu’une poutre tordue est structurellement moins intéressante qu’une poutre droite.

Ce type de cadre – vous l’aurez compris – a un potentiel de rigidité très séduisant. Mais aucune solution entièrement satisfaisante n’a encore été trouvée à ce jour.

On le trouvera essentiellement sur des petites cylindrées comme la Simson 50 ou la 125 Twin de chez Honda.

Certaines grosses cylindrées en sont équipées, comme la Triumph T3 ou la Norton Commando 750. Mais leur usage est le même que celui des motos avec un cadre à berceau : ces motos n’aiment pas vraiment les conditions difficiles.

À nouveau, même constat. On a ici un cadre économique mais qui ne satisfait pas encore nos attentes.

Il doit bien en exister un capable d’allier légèreté et robustesse, non ?

Le châssis en treillis, beau et performant

Oui, très certainement. Il y en a un : le châssis en treillis. Et celui-là est un petit bijou de mécanique.

Pour vous en convaincre, il faut d’abord comprendre le coup de génie du treillis, qui décrit une structure triangulaire.

L’idée originelle est limpide d’intelligence. Elle dit qu’un triangle est toujours plus fort qu’un rectangle.

Parce que lorsqu’on sollicite un triangle, les charges se répartissent de manière assez homogène sur plusieurs côtés. Ce qui n’est pas le cas du rectangle, qui souffre le martyr.

Tenez : prenez un rectangle formé par 4 barres.

Collez un de ses côtés au sol, bien au chaud dans le béton. Puis appuyez sur un de ses angles.

Ensuite, appuyez de la même manière sur un triangle. Qu’est-ce que vous observez ?

schéma rectangle vs triangle

La bonne réponse était que vous n’observez pas grand-chose.

Du moins, difficile de voir la différence de rigidité entre les deux structures. La raison est simple : c’est que par réflexe, vous avez soudé les barres entre elles.

Ce qui veut dire que, quand on sollicite les deux structures, on ne sait pas qui reprend les efforts. Si c’est les barres (ce qu’on veut), ou si c’est les soudures (ce qu’on ne veut pas).

Pour le savoir, on va simplement enlever les soudures, et les remplacer par des liaisons pivots. C’est-à-dire que les barres pourront pivoter les unes par rapport aux autres.

Et on reproduit l’expérience.

schéma rectangle vs triangle avec liaisons pivots

Et voilà.

C’est quand on enlève la soudure qu’on voit les vraies personnalités des personnes qui nous entourent.

Dans le rectangle, aucune barre n’a voulu participer à l’effort collectif pour résister au chargement. Résultat, la structure entière est tombée.

Dans le triangle, chaque barre a fait sa portion de travail. Si bien que la structure a aussi peu bronché que quand les soudures étaient là. Nous avons devant nos yeux le coup de génie de la triangulation. Et nous n’allons pas nous en passer.

Car avec cette découverte, une poutre pleine peut parfaitement être remplacée par une poutre triangulée, en offrant strictement les mêmes caractéristiques mécaniques. Et ce, pour un poids largement inférieur.

Alors nous n’allons pas vraiment nous en empêcher.

Ni une, ni deux, on remplace la poutre de notre moto par une poutre en treillis, et tadam !

schéma chassis treillis moto

On a donc une poutre principale qui joint la fourche et le bras oscillant, exactement comme nous le souhaitions.

Et la poutre est parcourue de vides, ce qui permet de fixer tant bien que mal le moteur et tous les autres organes mécaniques.

En plus, le châssis en treillis ne se contente pas d’être le meilleur au niveau de la rigidité.

Il offre aussi un rapport poids/rigidité exceptionnel. Sans compter qu’il a la bonne idée d’être très esthétique. En somme, c’est le châssis parfait.

Mais alors, pourquoi n’est-il pas sur toutes les motos ?

La première raison, c’est qu’il est cher.

Car assembler les tubes prend du temps, et le temps, c’est de l’argent. Pour les produire à l’échelle industrielle, il faut s’accrocher.

La deuxième raison, c’est qu’il offre finalement assez peu d’espace pour le moteur.

La plupart des moteurs de motos thermiques nécessitent un volume conséquent, et ont d’ailleurs des formes assez complexes.

Ce n’est pas pour rien que les seules vieilles motos qui sont dotées d’un châssis en treillis ont des moteurs avec des cylindres horizontaux, ce qui réduit les difficultés de montage. Vous trouverez donc ce type de cadre sur les Linto 500 Twin, avec une esthétique incroyable.

Plus récemment, BMW, KTM et Ducati utilisent aussi des châssis en treillis. Je regrette néanmoins les peintures un peu trop voyantes que les deux derniers constructeurs appliquent à leurs châssis. J’ai tendance à penser qu’un beau châssis est un châssis discret.

Ainsi, le châssis en treillis est très beau, très performant, mais il est cher et pas toujours très pratique. Voyons si le prochain cadre arrive à faire mieux.

Le cadre périmétrique, pour le confort du moteur

Le cadre périmétrique, autrement appelé « cadre à double longerons » est l’exacte réponse aux faiblesses du châssis en treillis.

On veut plus d’espace pour le moteur ? Facile.

Il suffit de construire un châssis qui laisse un gros espace en son sein.

Le moyen le plus simple pour garder de la rigidité est d’agir en deux points :

  • Maintenir une poutre qui lie directement la fourche et le bras oscillant,
  • et trouver une solution pour que cette poutre ne gêne pas pour l’introduction du moteur.

La meilleure idée est toujours de diviser la poutre principale en deux poutres, qui cette fois viendront épouser les formes du moteur.

On donne le nom de « longerons » aux deux poutres de ce cadre (ce qui explique son autre nom).

schéma chassis périmétrique moto avec longerons

Sur l’image précédente, on voit bien que grâce aux deux poutres qui contournent le moteur, l’espace disponible est assez imposant. Ce qui laisse la place au moteur tout en maintenant une poutre plus ou moins rigide.

De cette manière, on rend à César ce qui appartient à César. Une moto sans moteur, ce n’est pas une moto. Donc il faut un châssis qui permette au moteur de s’exprimer à son juste potentiel.

C’est certainement pour cette raison que le châssis périmétrique est présent sur autant de motos aujourd’hui.

schéma chassis périmétrique moto électrique

On trouve ce type de châssis sur les R1 de Yamaha, les Hayabusa de chez Suzuki, et même les Ninjas de Kawasaki. Que du beau monde, pour un châssis qui met le moteur au centre des discussions. Ça ne paraît alors pas choquant que les japonais se le soient autant approprié.

Pourtant il a deux défauts majeurs.

Le premier défaut, c’est que je trouve ce châssis très laid.

Je me repens devant vous : je n’aime pas les cadres périmétriques. Mais vraiment pas. Je les trouve beaucoup trop visibles. J’ai l’impression qu’on ne voit qu’eux, avec leurs longerons aux dimensions indécentes.

Le deuxième défaut est un peu plus sérieux : son efficacité structurelle est très modeste.

Si bien qu’il faut se munir de longerons à l’épaisseur affolante pour garantir des caractéristiques mécaniques satisfaisantes. Et puisque l’épaisseur est affolante, le poids l’est aussi.

Nous retombons donc dans les travers que nous avons expérimentés plus tôt, avec un châssis rigide mais trop lourd.

En revanche, il est bien plus accessible que le treillis, puisque la plupart sont moulés. Et mouler un cadre, ce n’est pas cher.

En somme, je n’aime pas ce châssis. Qu’à cela ne tienne, il doit en exister d’autres encore, qui promettent des jours meilleurs.

Le châssis poutre mécano-soudé, cher mais séduisant

Le prochain qui apparaît sur notre route est un châssis un peu original.

Il consiste à partir à nouveau sur la base du châssis-poutre. Et l’objectif reste, lui-aussi, toujours le même :

Essayons de garder la rigidité offerte par une poutre, mais en laissant de l’espace pour le moteur.

Nous l’avons vu, relier le bras oscillant et la fourche par une poutre droite est impossible.

C’est pourquoi certains châssis poutres ont une poutre centrale cintrée. Cette modification permet de laisser de l’espace au moteur dans la zone laissée libre par la trajectoire de la poutre.

L’idée n’est pas mauvaise, mais comme nous l’avons dit plus haut, cette solution réduit la tenue mécanique du cadre, puisqu’une poutre tordue est moins rigide qu’une poutre droite.

Jusque-là, on est d’accord.

Mais que faire alors ?

Rigidifier la poutre ! En remplaçant tout simplement la poutre initiale par une structure mécano-soudée, qui consiste à souder ensemble plusieurs plaques d’acier.

schéma chassis moto poutre mécano soudée

On retrouve ce type de châssis sur assez peu de motos. Seule la FS1E de Yamaha a su tirer son épingle du jeu, avec une très belle moto. Notons néanmoins l’effort de Leader avec son modèle Ariel, à l’esthétique assez expérimentale.

Mais si ce châssis n’a pas convaincu les constructeurs, c’est que malgré la grande rigidité qu’il permet, il est à la fois cher et lourd.

Il est cher parce que les outils sont spécifiques, puisque les soudures sont faites par résistances électriques. Et il est lourd pour la simple raison que des plaques d’acier, c’est lourd.

Nouvel essai donc, et nouvel échec.

Et quand je vois arriver le prochain cadre, j’ai de sérieux doutes.

Le monocoque, quand le carénage est structurel

Tout est dit dans le titre.

Le châssis monocoque est une variation du châssis en poutre mécano-soudée. Mieux, c’est un châssis en poutre mécano-soudée dont la logique a été poussée à l’extrême.

Si bien que le carénage devient lui-même le châssis.

schéma chassis moto monocoque

Bon, pas besoin d’épiloguer pendant des heures, cette solution n’est pas du tout adaptée à ce que nous cherchons.

Le cadre est lourd, et il empêche d’accéder facilement aux organes mécaniques en cas de maintenance.

Par curiosité, vous pouvez aller voir la NR500 de Honda. Du reste, au-delà de la curiosité, ce châssis n’est pas très sérieux.

Il ne reste qu’un châssis dans notre liste. Espérons que celui-là sera un peu plus pertinent.

Le moteur structurel, quand le moteur fait office de cadre

Jusqu’à présent, le châssis qui offre le plus de confort au moteur était le châssis périmétrique.

Malgré mon désamour pour lui, je ne pouvais que reconnaître qu’il est le seul à vraiment se soucier du moteur.

Mais il semblerait qu’il y ait une solution encore meilleure.

Cette solution ne se contente plus de dessiner le châssis en fonction du moteur, puisque le moteur devient lui-même le châssis.

Comment arrive-t-elle à ça ?

Très simplement : il suffit de prendre le moteur, puis de le lier directement avec le bras oscillant. Ensuite, il ne reste qu’à assembler au moteur une structure qui viendra se lier avec la fourche.

Et voilà. Pas plus.

schéma chassis moto moteur structurel

Et là, le châssis n’est plus lourd du tout, puisqu’il n’existe plus vraiment. On a donc élagué au plus possible le châssis, pour n’en garder que le strict nécessaire.

Mais cette solution, vous l’imaginez bien, ne s’adapte pas à toutes les motos.

Car il faut une condition sans laquelle rien n’est possible : que le moteur soit rigide. Et pour qu’il soit rigide, il faut qu’il soit massif, et pensé pour résister aux sollicitations qui seront transmises par le sol.

En somme, cette solution est idéale pour les motos dotées de gros ensembles moteur/boîte de vitesses. C’est par exemple le cas de la V8 de Moto Guzzi ou de la Norton Cosworth ou encore de la sublime Bullet de Royal Enfield.

Grâce au moteur structurel, nous tenons un cadre qui arrive à concilier la rigidité, le poids et le prix.

En réalité, ce châssis créé une dernière difficulté : il nécessite de concevoir un moteur capable d’assumer ce rôle.

À l’arrivée, c’est certainement pour cette raison que peu de constructeurs choisissent cette technologie.

Ils considèrent que ce sont deux métiers différents.

Les différents types de châssis, en bref

Nous voilà donc maintenant beaucoup mieux armés pour choisir le châssis qui va soutenir notre moto. Et sept châssis différents ne sont pas de trop, quand on voit la multiplicité des motos existantes, et donc des besoins.

En revanche, nous n’avons pour l’instant parlé de la structure des châssis. Et jusqu’à preuve du contraire, un châssis est forcément constitué d’un matériau.

Ce qui n’arrange pas nos affaires, c’est qu’il existe une infinité de possibilités de matériaux.

Face à l’infini des cadres, multiplié par l’infini des matériaux, il y a de quoi perdre la notion du temps.

Alors plutôt que de plonger dans ce trou noir, voyons s’il n’est pas possible de faire un tri, afin de mieux s’y retrouver.

Les matériaux, entre raideur et légèreté

À ce point de l’article, s’il y a bien un point que nous avons retenu, c’est qu’un châssis se doit d’être à la fois rigide, léger et accessible.

Alors plutôt que de nous noyer dans la mer de matériaux possibles qui s’offrent à nous, ligotons-nous à ce mât dans lequel nous avons confiance.

Nous avons vu plus haut ce que ces trois exigences impliquent en termes de structure. La logique voudrait que nous procédions de la même manière avec le choix du matériau.

Et devinez quoi, nous allons suivre exactement ce que dit la logique.

Exigence n°1 : le prix

C’est certainement le plus simple.

Le prix d’un matériau va dépendre de 2 paramètres.

En premier, le prix du matériau va dépendre du coût de la matière première. On imagine bien qu’un cadre en titane sera forcément plus cher qu’un cadre en acier, à cause du prix du titane.

Le deuxième paramètre, c’est le coût du formage du matériau.

En effet, quand on reçoit un matériau, on le reçoit sous une forme particulière. Si on s’apprête à le mouler, on le recevra en lingots. Alors que si on souhaite le souder, on le recevra sous forme de tubes.

Et ce formage a forcément un prix qui variera selon la difficulté pour arriver à la forme finale.

Par exemple, plus les parois d’un tube seront fines, plus le formage sera difficile. Ainsi, on a une balance entre le poids du matériau et la difficulté de formage qui donnent le prix d’approvisionnement.

Exigence n°2 : la légèreté

La deuxième exigence, c’est effectivement la légèreté. Elle dépend elle aussi de 2 paramètres : la densité du matériau, et la forme finale.

L’idée est alors de trouver la forme optimale qui réduira au maximum le poids des éléments du châssis, tout en conservant la rigidité.

Exigence n°3 : la rigidité

À nouveau, la rigidité du matériau s’appuie sur 2 piliers : la raideur et la résistance mécanique.

Nul besoin d’entrer dans le détail dans cet article, mais il suffit juste de savoir qu’un matériau est défini par sa capacité à se déformer avant de casser.

Moins il se déforme, plus il est raide.

Et plus grande sera la contrainte nécessaire pour le casser, plus il sera résistant.

Ce sont ces trois exigences qui nous guideront donc pour choisir le matériau idéal pour notre châssis.

Grossièrement, il n’en existe que 5, avec des combinaisons d’exigences différentes :

MatériauPrixLégèretéRigidité
Aciers (inox ou pas)Peu chersTrès lourdsTrès rigides
AluminiumsChersLégersPas rigides
MagnésiumsTrès chersPareil, légersTrès rigides
TitanesTout aussi chersAssez légersTout aussi rigides
CarbonesEncore très chersTrès légersTrès rigides

J’ajouterais à ce tableau que les carbones – en plus d’être chers – ne sont pas très écologiques. Et c’est sans compter les différents traitements de surface que les métaux peuvent subir pour les rendre plus résistants à l’usure et à la corrosion.

Ce tableau est donc largement simplifié, mais je ferai un article qui ira plus en détail sur l’impact des éléments d’alliages (chrome, vanadium, molybdène, etc) ou les revêtements de surface. Mais ici, on essaie de rester assez large pour ne pas trop se perdre.

Il ne reste alors qu’à placer le curseur qui nous paraît pertinent sur chaque paramètre pour choisir le métal qui constituera notre châssis.

Si on répète la méthode avec le choix des cadres, on en arrive à une combinaison structure/matériau qui répondra exactement à nos désirs.

conception moto électrique © jean charles barbe

Comment choisir le cadre idéal pour notre moto électrique

Après cet article, votre regard va courir de motos en motos, pour tenter de comprendre la structure de leur châssis.

Et lors de votre prochain achat, vous porterez peut-être un peu plus d’attention au cadre de votre future machine.

Pendant vos promenades dans les rues de votre ville, vous ne vous étonnerez plus si vous voyez :

  • par exemple, un cadre à berceau en acier,
  • un cadre périmétrique en aluminium,
  • ou un cadre en treillis en titane,
  • un cadre périmétrique en magnésium,
  • ou encore un cadre à poutre en carbone.

Certes. C’est très bien.

Mais qu’en est-il de notre moto électrique ?

Car je veux bien qu’on épluche toutes les motos existantes, mais elles sont thermiques pour l’écrasante majorité.

Ce qui veut dire que les châssis qu’on a évoqués tout au long de l’article ont été pensés pour des motos thermiques.

En réalité, la réponse est bien plus simple que ce qu’on peut craindre.

Elle se divise en deux possibilités : soit on traite la moto électrique comme une moto thermique, soit on la traite comme une moto électrique.

Quelle différence ? Si peu de choses.

Souvenez-vous, dans tout l’article, j’ai énuméré les châssis qui avaient été conçus pour coller tant bien que mal avec le moteur. En effet, six des sept châssis en question sont perçus comme externes aux moteurs.

Alors si ces châssis fonctionnent pour les thermiques, ils feront le travail pour les électriques.

Dès lors, la première possibilité est de ne rien changer.

Vous pourrez ainsi piocher dans les six premiers cadres évoqués dans l’article. C’est d’ailleurs vers ce raccourci (thermique = électrique) que l’équipe de Zero Motorcycles s’est tournée.

L’autre voie est plus douce.

Elle consiste à remarquer qu’une moto électrique est quand même assez différente d’une moto thermique. Le moteur électrique a une forme diamétralement opposée à celle du moteur thermique, sans parler de la batterie, aussi volumineuse qu’un bagage cabine.

Si on assemble le moteur électrique et la batterie ensemble, on peut parfaitement imaginer de les utiliser comme structure de la moto.

On tirerait ainsi parti du volume conséquent de la batterie, qui est censée (quoi qu’il arrive) être très rigide pour protéger le motard en cas de chute.

Je tiens donc ma réponse.

Il suffit de traiter le châssis d’une manière analogue à celle de la Royal Enfield Bullet, qui utilise son moteur comme structure principale du châssis.

Tous ces efforts n’auront donc pas été vains.

Nous sommes enfin arrivés à une solution élégante. Reste à savoir si elle sera faisable.

Seul l’avenir nous le dira. J’ai néanmoins confiance dans cet avenir. Car ensemble, nous le construisons avec intelligence.

Si vous voulez participer à cet avenir, vous pouvez nous rejoindre en écrivant votre e-mail juste en dessous.

Vous recevrez alors tous les jours des e-mails courts sur le vaste sujet des motos électriques, pour construire une pensée complexe sur ce sujet passionnant.

Je crois beaucoup à la collaboration, et plus nous serons nombreux à discuter de ces sujets, meilleur sera le résultat. Et je crois que le monde actuel a largement besoin de têtes pour penser à l’avenir.

On se retrouve de l’autre côté, demain matin dans votre boite e-mail.

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