MTB Anatomy #3 : histoire et entrailles d’une fourche

Déjà le chapitre 3 pour MTB Anatomy, notre série qui explore en profondeur certains sujets bien précis ! On garde le rythme et après le point de pivot haut puis les freins, on s’intéresse à un autre grand sujet particulièrement complexe pour ce troisième épisode : les fourches. Histoire, fonctionnement de chaque élément ou réglage, systèmes insolites et autres particularités, on vous explique tout en animations :

Après avoir parlé des freins, il est temps de s’attaquer aux fourches. Si le fonctionnement des freins restait plus ou moins le même en fonction des marques, pour les fourches c’est une toute autre histoire. Il serait très prétentieux de notre part de vouloir résumer le fonctionnement de toutes les fourches du marché en un seul et même article, nous nous en tiendrons donc au fonctionnement d’un ressort pneumatique et d’une cartouche.

En l’espace de trente ans, le fonctionnement des fourches a largement évolué, gagnant petit à petit en fiabilité et en performance. Elles ont à elles seules transformé la pratique du VTT. Arrivées au début des années 90, elles ont petit à petit éliminé les fourches rigides. Même si certains étaient quelque peu réticents au vu du poids de ces nouvelles fourches, le confort qu’elles apportaient était tout sauf négligeable.

Certains se rappelleront peut-être de la RS1, la toute première fourche de RockShox. Son fonctionnement fut breveté en 1990 et reposait sur une suspension oléopneumatique. Du haut de ses 49 mm de débattement, la RS1 affichait un poids total de 1,5 kg, soit 500 g de plus qu’une fourche rigide. Aujourd’hui, pour un débattement deux fois plus important, un SID SL Ultimate ne pèse guère plus de 1,3 kg.

Dans la même période, on a vu également arriver les fourches à élastomères. Présents par exemple dans la Rockshox Judy SL de 1995, ces bouts de caoutchouc, souvent combinés à un petit ressort pour améliorer la sensibilité, pouvaient être utilisés seuls ou en parallèle d’une cartouche hydraulique qui contrôlait la détente. Toutefois, on s’est rapidement rendu compte que leurs performances étaient assez limitées compte tenu du poids supplémentaire, et qu’il arrivait souvent qu’ils se tassent avec le temps.

Comme on peut le voir sur l’animation, certaines fourches étaient déjà équipées d’une cartouche afin de freiner la détente et la compression de la fourche (on en reparlera dans la suite de cet article).

Le début des années 90 a aussi vu apparaître les premières fourches inversées équipées de freins à patins. S’il semblait plus simple de monter des freins à patins sur une fourche « classique » comme la RS1, certaines marques ont tout de même voulu en mettre sur des fourches inversées. C’est le cas des fourches Halson par exemple. Pour cela, les « fourreaux » étaient percés afin de fixer les freins directement sur les plongeurs. Il faudra attendre le milieu des années 90 pour voir arriver les premiers freins à disque hydrauliques.

De nos jours, l’architecture des fourches s’est ”standardisée ». On retrouve deux plongeurs fermement pressés dans le té de fourche, qui coulissent à l’intérieur des fourreaux sur lequel l’axe de roue est fixé. A l’intérieur, on y trouve une partie ressort généralement placée côté frein et une partie hydraulique à droite côté transmission. Bien sûr, il y a toujours quelques exceptions et chez Öhlins par exemple, c’est l’inverse.

Certaines marques ont cherché à faire les choses d’une manière encore plus différente, comme Cannondale qui combine ces deux systèmes dans une fourche monobras inversée: la Lefty. Chez Bright, une marque Italienne, tout est regroupé au même endroit comme chez Cannondale, à la différence qu’ici, on est sur une fourche inversée « normale », avec deux plongeurs et deux fourreaux.

Comment fonctionne la partie air d’une fourche ?

Chaque fourche est équipée d’un ressort qui peut être mécanique (ressort hélicoïdal) ou pneumatique (air). Ce ressort permet dans un premier temps d’apporter de la résistance lors de la phase de compression, puis de ramener la fourche à sa position initiale lors de la phase de détente. Si le fonctionnement d’un ressort hélicoïdal est très simple à comprendre, celui du ressort pneumatique est un peu plus complexe.

Il se compose de trois éléments distincts : la chambre positive, la chambre négative et le piston. Lorsque la fourche se comprime, comme le piston se déplace à l’intérieur du plongeur le volume de la chambre positive diminue et la pression augmente. A contrario, le volume de la chambre négative augmente donc sa pression diminue.

Lors de la phase de détente, les rôles s’inversent : le piston se déplace dans l’autre sens donc le volume de la chambre positive augmente ce qui diminue ainsi sa pression. A l’opposé, le volume de la chambre négative diminue donc sa pression augmente.

Pourquoi utilise-t-on un ressort négatif ?

La chambre négative, aussi appelée ressort négatif, permet dans un premier temps d’abaisser le seuil de déclenchement de la fourche.

Imaginons que l’on supprime cette fameuse chambre (à gauche sur l’animation) et que l’on garde uniquement la chambre principale et le piston. Pour initier la compression de la fourche, il faudrait exercer une force supérieure à celle exercée par l’air sur le piston. Si ce n’est pas le cas, la fourche serait comme verrouillée.

La chambre négative est alors utilisée pour contrebalancer la pression exercée sur le piston par l’air de la chambre principale. De ce fait, il suffit d’appliquer une simple pression sur le cintre ou que la roue rencontre un obstacle, même insignifiant, pour commencer à comprimer la fourche. Évidemment, cela reste très théorique.

Comme chaque pilote est différent, personne ne met la même pression à l’intérieur de sa fourche. Il faut donc trouver un moyen d’équilibrer la pression à l’intérieur de la chambre négative par rapport à la pression de la chambre positive. Pour cela, de nombreuses marques comme Fox, Rockshox, Sr Suntour, DT swiss… ont placé un petit “renfoncement” dans la paroi du plongeur. Comme on peut le voir sur l’animation de la Fox 36, lorsque le piston passe devant ce renfoncement l’air peut circuler entre les deux chambres, permettant ainsi d’avoir une pression identique de chaque côté du piston lorsque la fourche est complètement détendue.

Certains fabricants comme Bright, DVO ou Fox sur certaines de ses vieilles fourches, utilisent un ressort hélicoïdal au lieu d’une chambre négative tandis que d’autres, on pense notamment à EXT ou DT Swiss, combinent les deux en vue d’améliorer la sensibilité de leurs produits.

En réalité, le ressort pneumatique ne détermine pas à lui seul le seuil de déclenchement de la fourche. Les différents joints présents tout autour de la fourche (joints racleurs, joint du piston…) génèrent par exemple des frottements, qui s’opposent aux mouvements du piston et augmentent le seuil de déclenchement de la fourche. La qualité de ces éléments joue également un rôle dans la sensibilité d’une fourche.

La chambre négative détermine aussi la raideur du ressort pneumatique en début/milieu de course. Contrairement à un ressort hélicoïdal, le ressort pneumatique est caractérisé par une raideur importante au début du débattement. Afin de lisser cette “bosse” caractéristique, certains fabricants s’emploient à utiliser une chambre négative plus importante (par rapport à une même chambre positive). Certains se rappelleront peut-être de la Intend Bandit, fourche sortie en 2020 et annoncée comme étant “la fourche la plus sensible au monde” grâce à sa chambre négative “surdimensionnée” logée dans ce fameux té et demi.

Rares sont les fabricants qui permettent de modifier le volume de la chambre négative (on peut tout de même citer Öhlins qui propose des tokens spécifiques pour cette chambre). Parce qu’il ne faut jamais dire jamais, la marque canadienne Vorsprung a développé différentes alternatives comme le Luftkappe ou le Secus, afin d’augmenter le volume de la chambre négative.

Comment modifier la progressivité de son ressort pneumatique ?

Si le ressort pneumatique s’est imposé comme la référence sur les fourches, au détriment du ressort hélicoïdal, c’est entre autres pour sa progressivité en fin de course et sa facilité de réglage. A l’avant, on ne profite pas d’une cinématique pour actionner l’amortisseur comme à l’arrière donc toute la gestion de la progressivité repose sur la fourche.

Afin de rendre son ressort pneumatique plus ou moins progressif en fin de course, de nombreuses options existent. La première, certainement la plus classique, consiste à utiliser des tokens ou volume spacers. Ces petites cales viennent diminuer le volume de la chambre d’air positive. Or, la pression évolue de manière inversement proportionnelle au volume, comprenez par là que lorsque le volume est divisé par deux, la pression est multipliée par deux (à température constante). Ainsi, en réduisant le volume initial, on augmente la pression, principalement en fin de course.

Cette option est présente sur la plupart des fourches des plus grands fabricants. Elle demande néanmoins de démonter la partie supérieure du ressort pneumatique.

Une seconde option consiste à ajouter une deuxième chambre positive avec une pression initiale supérieure à la pression initiale de la chambre positive principale. De ce fait, lorsque la fourche est comprimée, la pression dans la chambre principale augmente jusqu’à atteindre la même pression que la chambre secondaire. A ce moment, le piston qui sépare ces deux chambres entre en action.

Cette alternative aux tokens ne nécessite pas de démontage. Une deuxième valve est directement reliée à cette chambre secondaire. Présente chez plusieurs marques comme Öhlins, EXT, Formula, Wren, Manitou ou encore Chickadeehill (qui propose un kit adaptable pour certaines fourches Fox et Rockshox), cette alternative offre certainement plus de possibilités de réglages que la précédente, encore faut-il savoir l’exploiter.

Pour celles et ceux qui voudraient combiner la sensibilité d’un ressort hélicoïdal et la progressivité du ressort pneumatique, sachez que la marque américaine Push, plus connue pour ses amortisseurs, propose un kit adaptable sur certaines fourches Fox et RockShox.

Les valves de surpression, kézako ?

Lorsqu’on parle de la progressivité d’une fourche, on pense naturellement au ressort pneumatique qu’on vous expliquait un peu plus haut mais il faut savoir que même sans celui-ci, une fourche est déjà progressive. Une fourche, progressive même sans ressort ? Le raccourci est un peu rapide mais vous allez comprendre.

Comme on peut le voir sur les animations à travers cet article, l’essentiel du fonctionnement d’une fourche se passe dans les plongeurs. Que ce soit la cartouche (voir plus bas) ou le ressort, tous les systèmes sont enfermés dans les plongeurs et les fourreaux ne sont que des tubes dans lesquels coulissent les plongeurs. Lorsque l’on comprime une fourche, le volume présent dans les fourreaux diminue à cause de l’arrivée des plongeurs et l’air qui s’y trouve est alors comprimé.

Après une longue descente ou pendant une sortie avec des changements d’altitude importants, la pression de ce volume d’air varie et influence directement la sensibilité et la progressivité de la fourche. Afin de remédier à cela, Fox, Sr Suntour ou plus récemment RockShox utilisent des valves de surpression. Placés en haut des fourreaux, ces petits boutons permettent d’une simple geste d’égaliser la pression entre l’extérieur et l’intérieur des fourreaux.

Quelles sont les limites des ressorts pneumatiques ?

C’est bien connu, l’air est composé de plusieurs gaz et ses propriétés varient en fonction de la température et de la pression extérieure. Résultat, pour une même pression de départ vérifiée dans votre garage ou salon qui est à la même température toute l’année, le ressenti pourra être différent selon que vous sortiez en plein hiver par -5°C ou que vous profitiez d’un bikepark en plein été.

De plus, le ressort pneumatique est performant si et seulement si il est surveillé et entretenu régulièrement. Il arrive parfois, même si cela est plus fréquent sur les amortisseurs à air, qu’une saleté entre dans la chambre d’air. Avec le temps et sans entretien, cet intrus peut par exemple endommager la paroi de la chambre et créer un deuxième renfoncement, modifiant ainsi les performances de la fourche dans le temps.

Il arrive également que toute la graisse (ou l’huile de lubrification) utilisée pour le joint du piston se retrouve dans la chambre négative, diminuant ainsi le volume donc l’effet de celle-ci.

Et la cartouche dans tout ça ?

Si les ressorts pneumatiques sont plus ou moins similaires quelle qu’en soit la marque, pour les cartouches c’est une toute autre histoire.

Afin de rester généraliste, et parce qu’il serait très compliqué de faire un résumé de tout ce que l’on peut trouver sur le marché, on vous présente la première cartouche signée Vojo. Son fonctionnement reprend les systèmes les plus souvent utilisés.

Voyons un peu comment tout cela s’articule. En règle générale, une cartouche est divisée en quatre parties. On retrouve un piston flottant, un piston fixe qui a pour rôle de freiner la compression de la fourche, un piston mobile qui se charge de freiner la détente et l’huile sans qui tout cela n’aurait aucun sens. Le tout étant fermé hermétiquement pour éviter que de l’air ne rentre à l’intérieur.

A quoi sert l’IFP ?

Lorsque le piston monte dans la cartouche, la tige sur laquelle le piston est fixé occupe un volume plus important à l’intérieur de la cartouche. Or l’huile est un fluide incompressible. Il faut donc trouver un moyen d’augmenter le volume disponible à l’intérieur de l’ensemble, sans quoi la cartouche serait verrouillée.

C’est à ce moment que l’on utilise un IFP (pour Internal Floating Piston). Celui-ci a la possibilité de reculer pour augmenter le volume à l’intérieur de la cartouche. Lors de la phase de détente, un ressort permet de ramener le piston à sa position initiale. L’IFP est aussi utilisé pour compenser l’augmentation du volume d’huile lorsque celle-ci commence à chauffer.

Des alternatives existent toutefois, à l’image de Rockshox avec la Charger 2.1 ou de Fox avec la FIT4 qui utilisent tous deux une membrane qui s’étire pour accueillir l’huile. On peut également citer Fast Suspension qui utilise des mousses à cellules fermées, qui se rétractent sur elles-mêmes lors de la phase de compression.

Toutes ces alternatives sont utilisées dans des cartouches fermées, où l’huile n’est pas en contact direct avec l’air. Cela permet d’éviter tout risque d’émulsion et de garantir des performances constantes. Dans certaines cartouches “entrée de gamme”, l’air et l’huile ne sont pas séparés. C’est le cas notamment de la Motion Control de Rockshox. Lorsque le piston se déplace, l’huile passe par le circuit de compression et comprime un volume d’air.

Comment quelques gouttes d’huile et deux trois rondelles peuvent-elles freiner les mouvements de la fourche ?

Si la fourche n’était pas équipée d’une cartouche, elle se comporterait comme un bâton sauteur. Après avoir rencontré un obstacle, elle ne cesserait de se comprimer, de se détendre, de se comprimer à nouveau et ce jusqu’à ce qu’elle retrouve sa position initiale. Tout le contraire de ce que l’on recherche : l’objectif est d’amortir les chocs afin de garder la roue en contact avec le sol puis de ramener la fourche à sa position initiale le plus rapidement possible.

Le principe de base d’une cartouche est de forcer un fluide incompressible à passer au travers d’orifices pour freiner les mouvements de la fourche en dissipant l’énergie. La force de freinage produite par la cartouche dépend uniquement de la vitesse de compression ou de détente de la fourche. On ne parle pas ici de début de course ou de fin de course comme pour un ressort, mais bien de vitesse de déplacement du plongeur.

Pour qu’une cartouche fonctionne correctement, il faut qu’elle puisse fournir une réponse adaptée par rapport à la vitesse de compression ou de détente de la fourche. Pour ce faire, il existe deux circuits distincts : celui dédié aux basses vitesses et celui dédiés aux hautes vitesses.

Les animations suivantes présentent le fonctionnement de la compression basse et haute vitesse, le principe est le même pour la détente (ou rebond).

Lorsque la fourche se comprime lentement, l’huile passe au travers de la tige et contourne le pointeau présent à l’intérieur de celle-ci. Pendant la phase de détente, l’huile passe par le clapet anti-retour. Ce clapet permet à l’huile de faire le chemin inverse sans devoir repasser par tout le circuit de compression, auquel cas le circuit de compression aurait aussi un impact sur la détente de la fourche.

Lorsque la fourche se comprime rapidement, l’huile passe par le circuit de basse vitesse mais celui-ci est vite saturé. L’huile vient alors déformer les clapets présents sur le piston pour passer de l’autre côté. Si ce deuxième circuit n’était pas présent, la compression de la fourche serait trop freinée et l’impact serait alors transmis directement au pilote.

Que se passe-t-il lorsque je tourne une molette sur ma fourche ?

La grande majorité des fourches du marché comptent au moins deux réglages externes : un pour la compression, généralement en bleu, et un pour la détente souvent en rouge. Là aussi il y a des exceptions et chez Manitou, c’est inversé (compression en rouge et rebond en bleu) tandis que Öhlins utilise du jaune pour le rebond. Ces réglages sont souvent des réglages de basse vitesse. Néanmoins, même s’il n’y a pas de réglage externe pour les hautes vitesses, des clapets sont bien présents à l’intérieur pour assurer ce rôle.

En règle générale, lorsque l’on tourne la molette dans le sens des aiguilles d’une montre, on vient freiner davantage le réglage concerné. Si on parle de la compression basses vitesses par exemple, le pointeau descend et vient limiter le passage de l’huile. Suivant la conception de la fourche, cela peut également avoir pour conséquence d’abaisser le seuil de déclenchement des hautes vitesses : comme le circuit basse vitesse est plus étroit, il est plus vite saturé et l’huile peut emprunter plus vite le circuit des hautes vitesses.

Sur les fourches les plus haut de gamme, on retrouve également un réglage externe pour la compression hautes vitesses et parfois pour le rebond hautes vitesses. Ce réglage permet d’augmenter ou de diminuer le seuil de déclenchement des hautes vitesses, en faisant varier l’effort nécessaire pour déformer les clapets.

Si régler sa fourche n’est déjà pas une mince affaire, déterminer l’assemblage des clapets, leur épaisseur, leur diamètre, leur forme… C’est tout un art, c’est même un métier.

Une fourche performante c’est bien, mais une fourche entretenue régulièrement c’est encore mieux !

On ne le répétera sans doute jamais assez, les fourches au même titre que les amortisseurs ont besoin d’être entretenus au minimum une fois par an. Par entretien, on parle d’un démontage complet avec une inspection et un changement des joints ainsi que des huiles, voire même un remplacement des bagues de guidage (il est conseillé de les changer tous les deux ans, mais tout dépend de votre pratique). Entretenir sa fourche permet de conserver voire d’améliorer ses performances, au lieu de dépenser beaucoup trop d’argent pour une remise en état lorsqu’on l’a trop longtemps négligée.

Si vous comptez faire l’entretien vous-même, assurez-vous de bien connaître votre sujet et d’être correctement équipé. Certaines fourches requièrent un outillage spécifique, et mieux vaut le savoir avant d’être au milieu du démontage… Dans le cas contraire, tournez-vous vers votre vélociste ou envoyez directement votre fourche chez un atelier spécialisé.

Petit conseil, faites très attention aux fourches vendues d’occasion. Un modèle qui vous paraîtra en bon état à l’extérieur pourra l’être beaucoup moins à l’intérieur… N’hésitez pas à essayer les différents réglages pour vous assurer qu’ils fonctionnent. Il est également important de prendre en compte l’année de la fourche, car il se peut pour les modèles les plus enciens que les pièces de rechange ne soient plus fabriquées. Pour éviter de tomber dans le panneau, demandez au vendeur qu’il vous fournisse les factures des entretiens réalisés si possible.

A retenir

Un ressort doublé d’un mécanisme pour en contrôler le fonctionnement, voilà comment résumer en quelques mots le fonctionnement d’une fourche de VTT. Toutefois, vous l’avez vu au travers de cet article, les choses peuvent très vite devenir bien plus compliquées. Seul lien entre la roue avant et le pilote, la fourche doit absorber des chocs très variés le mieux possible tout en répondant également aux problématiques de rigidité, de direction ou encore de freinage (puisque l’étrier est monté sur la fourche), ceci en restant la plus légère possible. Un jeu d’équilibriste et avec cela en tête, on comprend mieux pourquoi nos fourches se complexifient d’année en année. On espère que cet article vous aura permis d’y voir un peu plus clair, et on vous dit à bientôt pour un nouvel épisode !

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.