Les catamarans, avec leurs deux coques et souvent leurs deux safrans, présentent des spécificités de direction qui diffèrent significativement de celles des monocoques. La compréhension et le réglage précis de leur système de barre, en particulier en ce qui concerne le parallélisme des safrans et l'application de l'effet Ackerman, sont fondamentaux pour la performance, la sécurité et le confort de navigation. Ces réglages impactent directement la facilité de manœuvre, la résistance à l'avancement et la capacité du pilote automatique à fonctionner efficacement. Que l'on soit un navigateur expérimenté ou un novice, saisir les principes sous-jacents à ces mécanismes est essentiel pour tirer le meilleur parti de son catamaran.
Les Spécificités du Système de Barre sur un Catamaran : Efforts et Frottements
L'actionnement des safrans sur un catamaran peut révéler des nuances importantes concernant l'effort réel requis pour gouverner. Une observation courante est la relative facilité à manipuler chaque safran individuellement, une fois désolidarisé de la barre de liaison qui les relie. Il est possible de les actionner "avec un seul doigt lorsqu'ils sont désolidarisés de la barre qui les relie". Cette aisance contraste souvent avec l'effort considérable nécessaire pour manœuvrer l'ensemble du système, c'est-à-dire "pour actionner la barre qui relie les deux safrans", où il faut parfois "y mettre tout son poids, même quand les safrans sont déconnectés".
Cette différence d'effort met en lumière un point crucial : "il semble donc que c'est le système de poulies et les frottements qui représentent presque tout l'effort que doit faire le pilote". En réalité, cet effort n'est pas tant "pour barrer le bateau mais pour tourner la barre à roue" ou la barre transversale. Cette résistance due aux frottements dans les poulies, les câbles et les articulations peut masquer le comportement hydrodynamique réel des safrans et rendre le système moins réactif qu'il ne devrait l'être. Identifier et réduire ces sources de friction est une première étape fondamentale pour améliorer la sensation et l'efficacité de la barre. Un système bien entretenu, avec des câbles correctement tendus et des poulies libres de tout point dur, permettra au barreur de ressentir plus directement les forces agissant sur les safrans et d'anticiper les réactions du bateau.
Le choix des systèmes de transmission des forces de la station de commande aux safrans est également déterminant. Actuellement, "pour la transmission des forces de l'installation de commande à l'installation de gouverne, on utilise aujourd'hui principalement trois systèmes", qui peuvent être combinés. Pour des raisons de coût, "les yachts de série sont généralement équipés d'installations à fil". On distingue "des installations avec un seul ou deux câbles de commande". Les systèmes à "deux câbles séparés relient les roues au quadrant", offrant une meilleure sécurité. "Cela signifie certes un double travail lors de la mise en tension, mais garantit également qu'en cas de rupture de matériel dans les câbles sensibles, il est possible de continuer à piloter avec l'autre roue." Ce "système redondant est un peu plus cher à fabriquer, car il nécessite plus de travail d'installation et un quadrant plus complexe avec deux rainures de guidage." Cependant, "les voies plus courtes et donc les câbles plus courts signifient moins de barre et donc moins d'entretien. Et une barre franche de secours devient obsolète." En revanche, un "câble de commande" unique est "plus fragile : un seul câble d'acier, parfois très long, doit transmettre les ordres de commande de chacune des deux roues au quadrant." Il doit être "fortement tendu afin de parcourir sans fléchir les distances généralement longues entre les points de renvoi." Un "slack" excessif "risque de le faire sauter de la poulie en cas de mouvements de direction violents," ce qui peut entraîner un blocage complet du système, rendant même "la barre franche de secours" inopérante.
L'Effet Ackerman Appliqué aux Catamarans : Principe et Nécessité
L'effet Ackerman, souvent mentionné dans le contexte automobile pour la direction des roues, trouve une application tout aussi pertinente, bien que moins connue, dans la conception des systèmes de barre de catamarans. Il est parfois désigné, avec humour, comme "Effet Ackerman ou effet à Carmen !!!", mais son rôle est loin d'être anecdotique.
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Le principe fondamental de l'effet Ackerman est que, lors d'un virage, les roues (ou les safrans) intérieures et extérieures ne doivent pas être braquées au même angle. En effet, "les angles de barres au vent et sous le vent sont différents". Pour un virage optimal, "le problème ne se pose que lors des changements de direction où le rayon de giration n'est pas le même pour les deux coques". L'objectif est que les safrans restent tangents aux cercles qu'ils décrivent. "Si on considère que les safrans doivent être tangents au cercle qu'il suivent, celui qui est à l'intérieur du virage devra être plus braqué que celui de l'extérieur."
Sur un catamaran, cette divergence angulaire est cruciale car les deux coques suivent des trajectoires distinctes, l'une sur un rayon de giration plus petit que l'autre. Sans l'effet Ackerman, les safrans tendraient à être parallèles même en virage, ce qui générerait une résistance excessive et une perte d'efficacité. "Oui, le parallélisme est essentiel" en ligne droite, "mais avoir des safrans biens tangents aux cercles de giration permet une barre plus douce et beaucoup plus efficace dans les manœuvres."
La mise en œuvre mécanique de l'effet Ackerman implique une géométrie spécifique des bras de barre, ou "barres". "La solution est de monter les barres avec un certain angle vers l'intérieur pour des safrans dans l'axe." Ainsi, "la barre de liaison qui relie les deux barre est plus courte que la distance entre les deux safrans, et lors du virage, le safran intérieur est plus angulé que l'autre." Véro s'interroge : "les barres font un angle avec les safrans de l'ordre de 10 à 15°, est-ce cela l'épure d'akerman ?" En effet, "les barres sont donc dirigées ainsi vers l'intérieur du bateau et relié par un bras de liaison." Cet "angle initial entre les barres et l'axe du bateau se calcule (ou pas) en fonction de l'entraxe et la longueur du bateau." Un participant confirme que "sur nos cata, les barres ont un angle de 5° vers l'intérieur".
La valeur de cet angle et la longueur du bras de liaison sont déterminantes. "La longueur entre les deux points d’ancrage de la barre de liaison diminue en actionnant la barre." Les calculs de cette géométrie peuvent être complexes, impliquant "une demi-longueur coque ou plutôt longueur arrière du safran au centre de rotation du bateau et la distance entre les axes des safrans". Pour une bonne application, il est estimé que "la différence d’angle entre les safrans est d'environ 10°" dans la position optimale de centre de giration, ce qui implique que "les barres soient angulées de 5° chacune vers l'intérieur (pour des safrans dans l'axe, bien sûr)."
L'absence d'un Ackerman correct peut entraîner une "barre plus dure" et une perte de performance. Cependant, il est essentiel de distinguer le parallélisme des safrans en ligne droite de l'angulation des barres. Comme il est souligné : "Si, les safrans doivent être parallèles. Ce sont les barres qui ne le sont pas. Elles forment un angle vers l'intérieur par rapport aux safrans." Ce point est souvent une source de confusion, mais il est capital pour une direction efficace.
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Vérification et Réglage du Parallélisme et de l'Effet Ackerman
La mise en place et la vérification de l'effet Ackerman sur un catamaran exigent une démarche méthodique. Tout d'abord, "en ligne droite, les safrans doivent bien sûr être parallèles." Cette condition est le point de départ de tout réglage. Pour la vérifier, plusieurs méthodes peuvent être employées.
Une approche initiale est de "mettre le cata à terre afin de vérifier et de régler le système de barre". En effet, "nous allons mettre le bateau à sec afin de prendre les mesures et vérifier l'alignement des safrans en position neutre." C'est l'occasion idéale pour s'assurer que les safrans sont parfaitement alignés avec l'axe longitudinal du bateau lorsque la barre est au milieu.
Cependant, il est également possible de vérifier et d'ajuster le parallélisme "sans sortir le bateau de l'eau". La méthode suggérée consiste à "naviguer au moteur par mer calme et vent faible de face". Dans ces conditions, "si tu désolidarises la barre de liaison de la barre du safran 'libre' (qui n'est pas commandé par la barre à roue où le pilote), les deux safrans seront automatiquement parallèles." Ensuite, "en mesurant l'écart entre l'extrémité de la barre de liaison et son point de fixation sur la barre libre, tu sauras de combien tu dois raccourcir ou rallonger la barre de liaison." Cette technique permet d'ajuster précisément la longueur de la barre de liaison pour garantir le parallélisme des safrans en position neutre, même si cela n'adresse pas directement l'effet Ackerman. Une interrogation légitime peut être : "Le couple moteur appliqué aux hélices, ne va t-il pas faire pivoter le bateau ?" La réponse est que "sur un cata, c'est quasiment insensible, même à très basse vitesse ; alors à 5 nd aucun risque."
Une fois le parallélisme en ligne droite établi, la vérification de l'effet Ackerman proprement dit peut être abordée. Cela implique de s'assurer que l'angulation des barres de safran est correcte par rapport à l'axe du bateau. Comme mentionné, "les barres font un angle avec les safrans de l'ordre de 10 à 15°, est-ce cela l'épure d'akerman ?" Oui, cet angle est la base de l'épure d'Ackerman. Il s'agit de s'assurer que "les barres sont donc dirigées ainsi vers l'intérieur du bateau et relié par un bras de liaison."
Le réglage fin de l'Ackerman est plus délicat. Véro se demande : "Si on réduit le bras de liaison pour réaligner les safrans, on touchera donc aux angles de Barre et axe du bateau ? est-ce bon ?" En principe, la barre de liaison ajuste la relation angulaire entre les deux safrans. Modifier sa longueur aura un impact direct sur la différence d'angle entre les safrans en virage, et donc sur la correction Ackerman. Cependant, la modification de l'angle initial des barres (tiller arms) par rapport aux safrans eux-mêmes n'est généralement pas facile sur les systèmes existants. C'est pourquoi, "en pratique, je suppose que tu ne peux pas modifier facilement l'angle entre les safrans et les barres, et qu'il te faut surtout vérifier le parallélisme des safrans." Les réglages d'Ackerman sont souvent intégrés dès la conception du bateau par des angles fixes sur les bras de barre. Tout ce qui peut être fait par l'utilisateur est de s'assurer que ces angles sont respectés et que la barre de liaison est de la bonne longueur pour permettre l'amplitude de mouvement correcte.
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Conception et Compensation des Safrans : Influence sur la Performance
Au-delà du système de barre en lui-même, la conception des safrans est un facteur prépondérant dans le comportement général du catamaran. La forme, la surface et la "compensation" d'un safran déterminent sa capacité à diriger le bateau avec efficacité et avec un minimum d'effort.
Un safran est la "partie immergée du gouvernail qui sert à dévier le flux d’eau sous la coque du bateau. Le pivotement du safran permet de diriger le bateau." Pour qu'il soit "efficace, l’angle de barre est déterminant." Différents types de safrans existent : "safran suspendu sous la coque en porte-à-faux, le safran articulé en partie basse qui est placée à l’extrémité du talon de quille, le safran compensé, non compensé, et semi compensé." Les constructeurs ont adapté "les safrans pour optimiser au mieux les manœuvres de navigation."
La "compensation d'un safran désigne le pourcentage de sa surface qui se trouve en avant de son axe de rotation." Un safran compensé réduit considérablement l'effort à la barre, car la pression de l'eau sur la partie avant de l'axe tend à équilibrer la pression sur la partie arrière. "Pas assez compensé, un safran est dur et impose une barre à roue, au-delà d'une certaine taille." Le "bon pourcentage se situe entre 15 et 20% sur les habitables." Un "safran sur skeg… est partiellement compensé (partie basse seulement)", tandis que "celui sur aileron… ne l'est pas du tout." Historiquement, "coûteuses à fabriquer, les solutions 1 et 2 tombent en désuétude. Le safran suspendu s'impose, pour le plaisir du barreur et la rationalisation de la construction."
La présence de doubles safrans est une caractéristique de plus en plus répandue sur les catamarans, offrant des avantages spécifiques. Autrefois, "les doubles safrans étaient presque exclusivement visibles sur certains yachts de régate ou autres constructions spéciales", mais ils sont "désormais aussi dans la production en série". Cette configuration est particulièrement pertinente pour les bateaux à "formes de poupe plates et larges", typiques des catamarans modernes, qui visent à "créer beaucoup d'espace de vie et d'habitabilité sur et sous le pont".
Les avantages des doubles safrans sont multiples. En situation de gîte, "le safran au vent sort de l'eau" sur un monocoque, tandis que sur un catamaran, avec deux safrans, "il est d'autant plus efficace que le bateau est gîté, car il s'enfonce alors complètement." Cela conduit à un "énorme gain de contrôle", car "les bateaux équipés d'un double safran sont donc normalement toujours très faciles à maintenir sur le cap, même lorsqu'ils sont très inclinés". Un double safran peut également "réduire considérablement le tirant d'eau", ce qui, "en combinaison avec une quille adaptée, permet d'utiliser le yacht dans des zones de navigation moins profondes." Ils peuvent aussi "servir de supports de watts, et un tel yacht permet de tomber à sec en position verticale." De plus, ils "permettent de libérer la poupe d'un axe au milieu, ce qui est également utilisé pour les grands yachts en tant que garage à choses."
Cependant, il existe des inconvénients et des considérations. "Un double safran, c'est aussi deux fois plus de possibilités de faire des bêtises", comme le souligne un constructeur. La "manœuvrabilité dans un espace restreint avec un double safran est nettement moins bonne, c'est ce que l'on suppose. Mais ce n'est que partiellement vrai." L'absence d'écoulement direct du jet d'hélice sur un safran central, caractéristique des monocoques, peut rendre l'impulsion initiale pour certaines manœuvres plus délicate. "Mais si l'on respecte ce comportement, on n'aura guère de problèmes." Concernant la sécurité, "un seul safran est mieux protégé des collisions par la quille que deux safrans individuels exposés, mais en revanche, deux safrans peuvent constituer une sorte de système de redondance. Mais cela n'est possible que si l'installation de commande est conçue de manière redondante."
Les profils des safrans sont également essentiels. "Pour dessiner les safrans, beaucoup d'architectes continuent d'utiliser les profils NACA, issus de l'aviation." Ces profils, comme le "NACA 6312", fournissent "les coordonnées géométriques x/y correspondant à un demi safran vu en coupe." Le premier chiffre "désigne la famille de profil", et le second "indique quant à lui l'épaisseur maximale du profil en pourcentage de la corde (largeur)." Il est important de ne pas "terminer un profil 'en pointe'… car le bord de fuite sera trop fragile à l'usage." De même, "une terminaison arrondie est à proscrire : elle génère des tourbillons en partie arrière du profil, là où les filets d'eau des deux côtés du safran se rejoignent." La "surface minimale d'un safran doit être au moins égale à 1% de la voilure au près du bateau." Augmenter la surface et surtout l'allongement du safran améliore l'efficacité, mais augmente aussi le coût et la complexité de fabrication.
Butées de Safran et Intégration du Pilote Automatique
La gestion des butées de safran est un aspect critique qui impacte à la fois la sécurité structurelle du système de barre et la performance du pilote automatique. Les butées limitent l'angle maximal de braquage des safrans, protégeant ainsi le mécanisme de barre et les safrans eux-mêmes d'un effort excessif.
Véro soulève une question essentielle après avoir révisé son système de barre : "reste cependant à positionner les buttées qui actuellement donnent des angles insuffisants (18 et 24° de chaque côté)." Son vérin de pilote automatique, quant à lui, "réclame au moins 35° de chaque côté". Cette divergence pose un problème. Il y a deux écoles de pensée concernant le pilote automatique et les butées : "1 le pilote ne doit pas rencontrer de buttées avant sa fin de course" et "2 le pilote ne doit pas être en buttées sur son vérin mais par les buttées des safrans". La sagesse tend vers la seconde option, car il est "plus prudent de régler les butées de barre à 2 ou 3° de moins (de chaque côté) que les butées du pilote", afin d'éviter d'endommager le vérin.
La complication survient lorsque l'effet Ackerman est pris en compte dans le réglage des butées, surtout si le pilote automatique est fixé à un seul safran. "Si j'applique les règles de l'effet akerman qui me donne un écart safran de 6°, en positionnant les butées safran à 35° de part et d'autres" et si "le pilote est installé sur le safran bâbord", les angles réels deviendraient asymétriques. En virage à tribord, par exemple, le safran bâbord (relié au pilote) pourrait être à 35°, mais le safran tribord (celui de l'extérieur du virage) serait à "35° - 6° (29°)." À l'inverse, en virage à bâbord, le safran tribord (celui de l'intérieur du virage) devrait être à "35° + 6° soit 41°", tandis que le safran bâbord resterait à 35°. Cette situation "ne me parait pas très logique et équilibré."
Pour résoudre ce déséquilibre, il pourrait être nécessaire d'"initialiser le pilote avec un offset qui me permettrait de rééquilibrer les angles et d’obtenir des résultats équivalents sur chaque safran". Ceci est une solution plus complexe mais potentiellement nécessaire pour optimiser le comportement du pilote automatique. Rantanplan propose une approche visuelle : "il faut que tu fasses un plan à échelle réduite ou grandeur réelle de ton système de barre afin de déterminer la bonne place pour la fixation de ton pilote, ou l'angulation maxi que celui-ci peut donner à tes safrans, afin de régler tes butées." Un schéma de principe peut illustrer "le système de barre dans son amplitude de fonctionnement (70°)" pour aider à la décision.
En pratique, l'angle maximal nécessaire n'est pas toujours celui du pilote. "Amha 30° sont suffisants sur un cata en tout cas c'est ce que j'ai sur le mien et ça le fait bien , le reste se fait en jouant avec les moteurs." Cela souligne l'importance des moteurs pour les manœuvres de port sur un catamaran, complétant l'action des safrans. Cependant, "plus l'amplitude est grande, plus c'est pratique dans les manœuvres", notamment pour les virements de bord et les situations d'urgence. Le compromis est donc entre l'exigence du pilote, la protection du système et la manœuvrabilité.