Brevet FR2546473A1 — publié le 19841130

MATERIAU TUBULAIRE A BASE D'UNE RESINE RENFORCEEPAR UNE MATIERE TEXTILE ET CADRE DE BICYCLETTE OU VEHICULE SIMILAIRE REALISE A PARTIR D'UN TEL MATERIAU. 5 La présente invention concerne un perfectionnement apporté à la réalisation des cadres de bicyclettes ou véhicules similaires Elle a trait plus particulièrement à un nouveau type de matériau tubulaire à base d'une résine renforcée par une armature textile susceptible 10 d'être utilisée pour l'obtention de tels cadres. Les cadres de bicyclettes sont, d'une manière généra- le, constitués d'éléments tubulaires reliés les uns aux autres selon une configuration bien précise qui, en com- binaison avec la nature du matériau utilisé, doit permet- 15 tre d'obtenir des caractéristiques en elle-même contradic- toire à savoir la plus grande légèreté possible, une excellente rigidité tout en présentant cependant une cer- taine nervosité, c'est-à-dire de pouvoir absorber rapide- ment les déformations temporaires auxquelles ledit cadre 20 est soumis sous l'action des contraintes qu'il subit. A ce jour, les cadres de bicyclettes sont principale- ment réalisés en tubes métalliques, acier par exemple. De tels cadres sont en général lourds, et résistent mal aux agents extérieurs (phénomène de rouille). 25 Pour surmonter ces inconvénients, il a été proposé d'utiliser des alliages spéciaux qui, cependant, présen- tent l'inconvénient d'être très coûteux. Il a également été proposé de réaliser de tels cadres par moulage d'une matière thermoplastique, ce qui résoud 30 certes les problèmes de rouille et'dé prix de revient, mais conduit à un ensemble lourd et qui manque de rigidité. On connait par ailleurs des structures tubulaires stratifiées, c'est-à-dire constituées de gaines textiles superposées et imprégnées par une résine appropriée qui, 35 après traitement notamment de polymérisation, permet de -2- lier les différentes couches entre elles et d'obtenir un ensemble rigide et résistant. De telles structures tubulaires sont décrites notamment dans les demandes de brevet français n' 79/12 533, 5 81/05 261 et 82/02 436 au nom du Demandeur. De telles structures utilisées notamment pour la réa- lisation de mâts de voiliers, comportent comme matériau textile de renforcement des articles tressés fabriqués par exemple à partir de fils de verre, de silice, de car- 10 bone, de fibres chimiques diverses telles que celles com- mercialisées sous la marque KEVLAR. Différents types de tresses ont été proposés à ce jour en fonction des caractéristiques mécaniques que l'on souhaite obtenir dans le tube stratifié final Ainsi, 15 il a été proposé d'utiliser des tresses dites "bidirec tionnelles", c'est-à-dire des tresses constituées de deux séries de fils entrecroisés, de préférence identiques, et disposées suivant un ordre déterminé par rapport à la gé- nératrice de la gaine que forme cette tresse, l'inclinai- 20 son du fil les uns par rapport aux autres étant en général, avant réalisation du stratifié proprement dit, voisine de 450 Une telle tresse présente comme caractéristique de pouvoir se déformer aussi bien dans son sens longitudinal 25 que dans le sens latéral et par suite, de pouvoir prendre facilement une forme autre que cylindrique. Par ailleurs, pour certaines applications, notamment lorsque l'on désire améliorer essentiellement la résistan- ce de la flexion et non pas celle de la torsion, il a été 30 proposé d'utiliser comme élément textile de renforcement des gaines dites "unidirectionnelles", c'est-à-dire des gaines constituées essentiellement de fils longitudinaux, parallèles entre eux, et dont le liage est obtenu par des fils tressés très fins par rapport aux fils longitudinaux mais qui 35 ne constituent qu'une partie minoritaire de l'ensemble. -3- En général, les fils de liage sont constitués par des fils de verre, matière couramment utilisée pour la réali- sation des matériaux stratifiés De telles gaines unidirec- tionnelles présentent comme inconvénient majeur de n'être 5 que faiblement déformable dans le sens radial, ce qui les rend difficilement utilisables lors de la réalisation d'éléments tubulaires coniques. Il aurait p être envisagé d'utiliser de tels maté- riaux tubulaires stratifiés pour la réalisation de cadres 10 de bicyclettes mais, pour cette application, il semblait difficile de pouvoir concilier à la fois les problèmes de légèreté et de résistance aux chocs, notamment de résistan- ce à l'éclatement que doit présenter un tel cadre En effet, s'il pouvait être envisagé de réaliser des-articles 15 tubulaires stratifiés comportant des tresses à base de fibres de carbone, articles qui présentent l'avantage d'être très légers, il-a été constaté que le cadre ainsi réalisé présentait un manque de résistance à la torsion et, qu'en outre et surtout, en cas de choc frontal, il y- 20 avait un-risque d'éclatement dangereux pour l'utilisateur. Or on a trouvé, et c'ést ce qui fait l'objet de la présente invention, qu'il était possible de réaliser un cadre de bicyclette remplissant simultanément les condi- tions de légèreté, résistance, flexibilité exigées pour 25 de tels articles et ce, à partir de matériaux stratifiés tubulaires renforcés par une armature textile tressée à la condition cependant, que les tresses entrant dans la constitution dudit matériau aient une structure déterminée et soient superposées, de l'intérieur à l'extérieur dudit 30 élément tubulaire, d'une manière bien précise. D'une manière générale, le nouveau matériau tubulaire permettant l'obtention d'un cadre conforme à l'invention est du type constitué d'une pluralité de couches textiles superposées, la couche interne et la couche externe étant 35 constituées par des gaines tressées bidirectionnelles, ces -4- deux couches emprisonnant au moins une tresse unidirec- tionnelle, ledit matériau étant caractérisé par le fait : que la couche interne et la couche externe sont 5 constituées de tresses bidirectionnelles à base de fibres présentant une grande résistance mécanique telles que des fibres de verre, de carbone, de bore ; que la couche centrale unidirectionnelle est cons- tituée pour partie majoritaire de fils longitudinaux, 10 parallèles, liés entre eux par des fils fins par rapport auxdits fils longitudinaux, ces fils longitudinaux compre- nant au moins 10 % de fibres présentant une grande résistance à la traction telles que par exemple des fils de KEVLAR, fils présentant un haut mc; ule d'élasti- 15 cité, les autres fils longitudinaux étant des fils de même nature que les fils constituant les tresses bidirec- tionnelles des couches interne et externe. Eventuellement, selon une forme préférentielle de mise en oeuvre de l'invention, la couche externe est 20 recouverte d'une tresse bidirectionnelle additionnelle à base de fils de verre servant de couche de surfaçage. Si éventuellement, lescouches interne et externe peuvent être constituées d'une seule tresse bi-direc- tionnelle dans un mode préférentiel de mise en oeuvre 25 de l'invention, lesdites couches interne et externe seront formées par une superposition de plusieurs tres- ses bidirectionnelles, à base de fils de même nature, l'inclinaison desdits fils variant d'une tresse élémen- taire à leautre,cette inclinaison étant en général com- 30 prise entre 30 et 550 Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention, la couche interne bidirectionnelle est cons- tituée de deux tresses élémentaires bidirectionnelles superposées, alors que la couche externe est, quant à elle, constituée de trois tresses élémentaires superpo- 35 sées. -5- Grâce à un tel matériau, il est possible de réali- ser des cadres de bicyclettes qui non seulement présen- tent une grande légèreté, une excellente rigidité et nervosité mais qui, par ailleurs, éliminent tout risque 5 d'éclatement En effet, on a constaté que s'il était éventuellement possible de casser un tel tube en revanche, les éléments ainsi brisés restaient reliés les uns aux autres et ce, grâce à la structure particulière et au positionnement dans ledit tube de la tresse unidirec10 tionnelle qu'il comporte. Par ailleurs, grâce à un tel matériau, il est-pos- sible non seulement de réaliser des cadres de section circulaires mais on peut également leur donner une-forme profilée ainsi qu'éventuellement, notamment en appliquant 15 les enseignements de la demande de brevet français 82/20 436, une forme conique, notamment pour la réalisa- tion des haubans et des embases que comporte un tel cadre. L'invention et les avantages qu'elle apporte seront 20 cependant mieux compris grâce à l'exemple de réalisation donné ci-après à titre indicatif mais non limitatif, et qui est illustré par les schémas annexés dans lesquels la figure 1 illustre un cadre de vélo réalisé 25 à partir d'un matériau tubulaire conforme à l'invention, la figure 2 est une vue éclatée, en perspective, montrant de manière schématique la constitution d'un tel matériau, les figures 3 et 4 sont des vues schématiques, 30 également en perspective, illustrant la structure des tresses bidirectionnelles et unidirectionnelles entrant dans la composition d'un tel matériau tubulaire. On réalise un cadre pour vélo du type illustré à la figure 1, c'est-à-dire comportant un tube horizontal ( 1), 35 une douille de direction ( 2), un tube diagonal ( 3) et un -6- tube de selle ( 4), ces tubes étant reliés entre eux par des manchons de liaison ( 5,6,7,8) Par mesure de simpli- fication, la fourche, le guidon, la selle et le pédalier n'ont pas été représentés à la figure 1 Les éléments de 5 liaison ( 7-8) supportent également des éléments tubulai- res ( 9-10) constituant respectivement les haubans et les embases pour le maintien de la roue arrière. Pour la réalisation d'un tel cadre, on utilise d'une part des éléments tubulaires cylindriques pour les tubes 10 ( 1,2,3,4) et, d'autre part, des éléments tubulaires co- niques pour la réalisation des haubans ( 9) et des emba- ses ( 10). .La structure de ces éléments tubulaires est la sui- vante 15 Eléments tubulaires ( 1,2,3,4) Ces élémentë sont réalisés à partir d'un tube stra- tifié tel que schématisé à la figure 2, d'une manière si- milaire à celle décrite dans la demande de brevet fran- çais no 81/05 261 Par suite, le processus de fabrication 20 d'un tel tube ne sera pas décrit par mesure de simplification. Un tel matériau désigné par la référence générale ( 11) est constitué essentiellement par une résine poly- mérisable renforcée par une armature textile Cette arma- 25 ture textile comporte, conformément à l'invention, en allant vers l'intérieur vers l'extérieur : une couche interne ( 12), constituée dans le cas présent de deux gaines tressées bidirectionnelles ( 12 a) ( 12 b) superposées, ayant une structure telle que schéma- 30 tisée à la figure 4 et qui sont constituées de deux séries de fils ( 13-14) ; les fils ( 13-14) sont entrecroi- sés à 450 pour l'une des tresses et à 300 pour l'autre ; chaque série de fils comporte 48 fils de carbone ayant chacun un titre global de 198 Tex; à la sortie de la 35 tresseuse, la tresse ( 12) a un diamètre nominal de 27 mm ; -7- une couche intermédiaire ( 15), du type illustré à la figure 3, et constituée dans le cas présent de fils parallèles ( 16) liés entre eux par des fils de lia- ge ( 17), très fins par rapport aux fils longitudinaux 5 ( 16) et qui ne constituent qu'une partie minoritaire de l'ensemble ; conformément à l'invention, les fils longitudinaux ( 16) sont constitués de deux types de matière, d'une part de fils de carbone similaires à ceux utilisés pour la couche interne ( 12) et, d'autre 10 part, de fils à haut module d'élasticité du type de ceux commercialisés sous la marque KEVLAR ; les fils de KEVLAR représentent 10 % du poids total de cette tresse ( 15) ; dans le cas présent, on utilise 264 fils longi- tudinaux et ce, à raison de 240 fils de carbone ayant 15 un titre de 198 Tex pour 24 fils de KEVLAR ayant un titre de 126 Tex une couche externe ( 18) constituée de trois tresses bidirectionnelles-superposées ( 18 a, 18 b, 18 c), l'inclinaison des fils variant d'une tresse à l'autre 20 étant respectivement de 30, 45 et 550 pour chacune des tresses ; ces tresses sont également à base de fils de carbone similaires à ceux des tresses ( 12) ; une couche de surfaçage ( 19) constituée, comme pour les couches interne et externe ( 12) et ( 18) d'une 25 tresse bidirectionnelle mais qui, contrairement à ces couches, est à base defils de verre ayant, dans le cas présent, un titre de 136 Tex. Pour les éléments tubulaires constituant les hau- bans ( 9) et les embases ( 10) 30 On utilise une structure tubulaire stratifiée com- parable à celle décrite précédemment à la seule diffé- rence que la tresse unidirectionnelle intermédiaire ( 15) est liée au moyen de fils extensibles d'une manière similaire à l'article décrit dans la demande de brevet 35 français N O 82/20 436 du Demandeur, ce qui permet de -8- donner une configuration conique à ces éléments Par rapport à un cadre de vélo similaire réalisé en métal léger, par exemple en Duraluminium, on obtient grâce au matériau conforme à l'invention, un gain de poids 5 de 20 % De plus, les caractéristiques mécaniques (résistance, nervosité) sont nettement supérieures. Enfin, par rapport à un cadre similaire mais qui serait réalisé en utilisant comme matière textile de renforcement uniquement des fibres de carbone, fibres 10 qui sont réputées pour obtenir des articles d'une grande résistance et d'une grande légèreté, on obtient un cadre d'un poids pratiquement équivalent qui présente-une très bonne nervosité et élimine tout risque d'éclatement susceptible de se produire sous l'effet d'un choc vio- 15 lent. Si l'invention a été décrite plus particulièrement pour la réalisation d'un cadre de vélo, il est évident que cela n'est pas limitatif et que le matériau tubulai- re conforme à l'invention pourrait également être utili- 20 sé dans des applications similaires, par exemple pour la réalisation-de cadres de motos. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit précédemment, mais elle en couvre toutes les variantes réalisées dans le même 25 esprit Ainsi, il pourrait être envisagé de modifier le nombre de tresses-bidirectionnelles élémentaires entrant dans la constitution des couches interne et externe, voire même de n'utiliser qu'une seule tresse pour former chaque couche interne et externe. 30 REVENDICATIONS 1/ Matériau tubulaire à base d'une résine renforcée par une armature textile utilisable pour la réalisation d'un cadre de bicyclette, matériau du type comportant une 5 pluralité de couches textiles superposées, la couche interne ( 12) et la couche externe ( 18) étant constituée par des gaines tressées bidirectionnelles, ces deux cou- ches emprisonnant au moins une tresse unidirectionnelle ( 15) caractérisé par le fait 10 que la couche interne ( 12) et la couche externe ( 18) sont constituées de tresses bidirectionnelles à base de fibres présentant une grande résistance mécanique telles que des fibres de verre, de carbone, de bore que la couche centrale unidirectionnelle ( 15) 15 est constituée pour partie majoritaire de fils longitu- dinaux ( 16), parallèles, liés entre eux par des fils fins ( 17) par rapport auxdits fils longitudinaux, ces fils longitudinaux ( 16) comprenant au moins 10 % de fibres présentant une grande résistance à la traction, 20 les autres fils longitudinaux étant des fils de même nature que les fils constituant les tresses bidirectionnelles des couches interne ( 12) et externe ( 18:). 2/ Matériau selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la couche externe ( 18) est recouverte 25 d'une tresse bidirectionnelle additionnelle ( 19) à base de fils de verre. 3/ Matériau selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la couche interne ( 12) et la couche externe ( 18) sont constituées d'une seule - 30 tresse bidirectionnelle. 4/ Matériau selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les couches interne ( 12) et externe ( 18) sont formées par la superposition de plu- sieurs tresses bidirectionnelles ( 12 a)-( 12 b), ( 18 a)-( 18 b), 35 ( 18 c). 5/ Matériau selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'inclinaison des fils varie d'une tres- se élémentaire à l'autre, cette inclinaison étant de pré- férence comprise entre 30 et 35 . 6/ Matériau selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il cylindrique. 7/ Matériau selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il est de forme conique, les fils de liaqe de la tresse intermédiaire unidirection- 10 nelle ( 15) étant dans ce cas des fils à forte extensibilité. 8/ Cadre de bicyclette caractérisé par le fait que le tube horizontal ( 1), la douille de direction ( 2), le tube diagonal ( 3) et le tube de selle ( 4) sont constitués 15 d'éléments tubulaires cylindriques selon l'une des reven- dications 1 à '5, et que les haubans ( 9) et les embases ( 10) sont constitués d'éléments tubulaires coniques selon la revendication 7. 20 DEPOSANT : Société dite-"TECHNIQUE DU VERRE TISSE S o A " MANDATAIRE : Cabinet Michel LAURENT