Brevet FR2570027A1 — publié le 19860314

Il est connu que les roues ordinaires pour bicy- clette sont constituées essentiellement par une jante portant le pneumatique qui roule sur le terrain, par un moyeu pouvant tourner sur un pivot fixé au cadre de la bicyclette et par de multiples rayons qui relient la jante au moyeu. Plus complè- tement, ces roues sont formées d'un ensemble d'éléments qui comprend: une jante destinée au pneumatique, portant des douilles d'appui pour les raccords d'ancrage et de traction; une série de raccords filetés intérieurement; une série de rayons qui s'ancrent par une extrémité à l'une ou à l'autre des deux brides du moyeu par une tête rivée et sont filetés à l'extrémité opposée pour être mis en traction par l'action de rotation et de vissage des raccords; et un moyen présen- tant deux brides munies de trous disposés sur une circonfé- rence pour l'insertion et la fixation des rayons. Sur les roues de ce type - en usage depuis de très nombreuses années dans le domaine du cyclisme - on a fait de nombreuses études pour conférer à la roue une bonne capacité d'absorption des chocs pour le confort du cycliste, une robus- tesse appropriée et la légèreté maximale compatible avec la résistance de l'ensemble. Tout en ayant recours à toutes les technologies applicables et aux matériaux les plus classiques, modernes et sophistiqués, avec un faible rapport entre le poids et les caractéristiques mécaniques, il existe naturel- lement des limites très peu appréciées aux possibilités de réduction du poids. Par suite, le problème de la réduction de poids de ces roues, spécialement de celles qui sont destinées aux com- pétitions ou aux utilisateurs sportifs, aujourd'hui nombreux et exigeants, se pose toujours et fait l'objet de la plus grande attention de la part des projeteurs et des fabricants de roues pour bicyclettes. D'autre part, les roues classiques à rayons dont on a parlé plus haut offrent une résistance aérodynamique no- table dont des études récentes ont démontré qu'elle augmente rapidement avec la vitesse et dont l'importance, négligée jusqu'à ces dernières années, fait actuellement l'objet de la plus grande attention de la part des spécialistes, étant donné l'influence, même décisive, que le comportement aérodynamique des roues peut exercer au cours de compétitions sportives, en particulier de celles o l'on atteint, même pendant un temps court, des vitesses ou des pointes de vitesse élevées. Il est connu que pour améliorer ce comportement on a réalisé divers types de roues à disque dans lesquelles la liaison entre moyeu et jante de la roue n'est plus assurée par des rayons mais par un disque ou une paire de parois planes ou courbes (roues lenticulaires). Dans les roues de ce type réalisées jusqu'ici - destinées presque toujours a des usages particuliers ou pu- rement et simplement à des expérimentations spécifiques - on ne s'est jamais préocupé par ailleurs du problème de la légè- reté, souvent sans aucune influence sur les résultats spéci- fiques à obtenir, de sorte qu'elles sont toutes assez lourdes et de toute façon, notablement plus lourdes que les roues classiques à rayons, ce qui les rend tout à fait inappropriées à un usage normal. Pour récapituler, on peut noter que les deux problèmes dont on se ressent le plus actuellement dans le domaine de la conception et de la fabrication des roues pour bicyclettes destinées à l'usage sportif et spécialement aux compétitions, celui de la robustesse et simultanément de la légèreté de la roue et celui d'une faible résistance aérody- namique, ont été jusqu'ici abordés séparément et par des moyens classiques, le premier en agissant sur une structure classique de roue à rayons et en agissant uniquement sur les propriétés, améliorées peu à peu, des matériaux disponibles et sur les techniques les plus avancées pour leur mise en oeuvre, le deuxième en adoptant une structure originale dans la configuration extérieure, mais réalisée sans une évaluation rationnelle, à plus forte raison sans une étude précise de ses réponses aux sollicitations, quand ce n'est pas purement et simplement au mépris des exigences de résistance et de légèreté. L'invention vise par contre à apporter maintenant une solution globale aux problèmes exposés plus haut, en modé- rant et en même temps en satisfaisant les exigences les plus ressenties actuellement dans le domaine des roues pour bicy- clettes destinées à l'usage sportif et spécialement aux compe- titions. Autrement dit, l'invention vise à fournir une roue pour bicyclette qui soit à la fois très robuste, très légère et fortement aérodynamique, dont l'utilisation dans l'activité sportive en général et dans les compétitions en particulier puisse toujours favoriser le cycliste en rédui- sant sa fatigue et en garantissant sa sécurité. Une telle roue est du type comportant un moyeu tournant, une jante pour le pneumatique et des moyens de liaison travaillant en traction, entre moyeu et jante, et est caractérisée par le fait que ces moyens de liaison sont cons- titués par deux flancs plans inclinés et placés sous tension, réalisés en résine synthétique renforcée par des fibres dis- posées radialement, et ancrés de façon stable au moyeu et à la jante. De préférence, dans cette roue, les flancs sont formés en imprégnant de résine synthétique des tissus en fibres de grande résistance à la traction telles que des fibres de carbone ou de Kevlar. Dans une première variante de l'invention, ces flancs sont distincts, inclinés également ou différemment et reliés séparément d'un côté aux brides du moyeu, par exemple mécaniquement, de l'autre côté à la jante, par exemple par collage. Dans une deuxième variante de l'invention, les flancs sont définis, avec une inclinaison égale ou différente, par un élément unique dont les extrémités sont fixées, par exemple mécaniquement, aux brides du moyeu et qui s'enroule, pratiquement sur la ligne médiane, tout autour de la jante pour s'y relier, la jante étant formée par un tube en alliage métallique plié en cercle sur lequel s'enroule la ligne média- ne de l'élément formant les flancs de la roue, et par un canal ouvert, lui aussi plié en cercle et collé sur la jante au dessus de cet élément. L'invention concerne aussi un procédé de fabrica- tion de la roue. Ce procédé est caractérisé, pour le cas o l'on réalise la première variante de roue, par le fait que l'on forme chacun des flancs avec l'inclinaison voulue pour celui-ci en appliquant sur une forme, l'un à côté de l'autre, plusieurs éléments triangulaires de tissu de fibre préimpré- gné de résine, en les superposant en partie, de manière à obtenir un tronc de cône que l'on polymérise ensuite; en comprimant avec une série de pistons la jante de la roue jusqu'à en réduire convenablement le rayon; et en exécutant la liaison de chaque flanc mécaniquement avec les brides du moyeu et par collage avec la jante comprimée. Pour le cas o l'on réalise par contre la deu- xième variante de roue, son procédé de fabrication est carac- térisé par le fait que l'on forme l'élément unique à flancs plans en résine synthétique renforcée de fibres radiales, de façon qu'ils retiennent librement dans celui-ci la jante, que l'on polymérise, que l'on fixe mécaniquement les extrémités de l'élément aux brides du moyeu et que l'on éloigne ces brides l'une de l'autre pour soumettre à une traction les flancs et donner à ceux-ci l'inclinaison voulue et pour sou- mettre la jante à une compression. On décrit maintenant l'invention plus en détail en référence au dessin annexé qui est une coupe transversale axiale d'une moitié de la roue pour bicyclettes selon l'in- vention. Comme le montre le dessin, la roue selon l'inven- tion se compose d'un moyeu 1, d'une jante 2 et de deux parois ou flancs 3 qui relient le moyeu 1 à la jante 2. Le moyeu 1 comporte un corps cylindrique 1A pou- vant tourner, par l'intermédiaire de roulements à billes 4, autour de l'arbre 5 destiné à être fixé à l'extrémité d'une fourche de la bicyclette de façon connue. La jante 2 est constituée par un tube 6 en alliage léger enroulé en cercle pour former une surface toroldale conçue pour supporter des efforts de compression et par un canal ouvert 7, aussi enroulé en cercle et relié de la façon décrite plus loin au tube 6, à l'extérieur de celui-ci. Les deux flancs 3 sont constitués, selon l'inven- tion, par un ou plusieurs éléments de résine renforcée de fibres orientées radialement, montés radialement en traction entre le tube 6 - qui est ainsi sollicité à la compression - et le moyeu 1, auxquels ils sont ancrés de façon stable et efficace. Dans le cas représenté, on utilise un élément unique 8 pour former les flancs plans 3. Cet élément 8, réalisé en partant d'une ou plusieurs épaisseurs de tissu de fibre impré- $ gné de résine - il est habituellement préférable d'utiliser du tissu de fibre préimprégné pour faciliter la fabrication - s'enroule en 9, à peu près à sa ligne médiane, autour du tube 6 de la jante de la roue tandis que ses extrémités sont blo- quées mécaniquement sur les brides 10 du moyeu 1. En variante, on peut utiliser deux flancs dis- tincts, ancrés comme l'élément 8 au moyeu 1 et collés ou re- liés autrement de façon stable et sûre au tube 6. L'inclinaison des deux flancs 3 peut être égale ou différente, selon les angles de carrossage à réaliser. Quand ces angles sont différents, l'effort de traction que les deux flancs ont à accomplir variera (celui du flanc le moins incliné étant plus grand) et il pourra être approprié dans ce cas de faire varier le nombre des épaisseurs de fibre à utiliser dans un flanc par rapport à l'autre. Les tissus de fibre à utiliser peuvent être choisis parmi ceux en "Xevlar" et ceux en fibre de carbone, ou éventuellement d'autres,.mais ils doivent en tout cas présenter de grandes résistances à la traction. Il s'agira de préférence, comme on l'a déjà dit, de tissus de fibre préimprégnée de résine. Le canal ouvert 7 destiné au pneumatique peut être appliqué par collage sur le tube 6, à l'extérieur de celui-ci et directement sur sa surface ou, comme dans le cas représenté, au dessus du tissu de l'élément unique 8 formant les flancs 3 et qui entoure le tube 6. Ce canal pourra être fabriqué en alliage léger, pour des compétitions qui exigent l'usage des freins, ou en résine renforcée pour des compétitions qui, comme celles sur piste, ne nécessitent pas l'usage de freins. Une structure comme celle que l'on a décrite, outre qu'elle assure tous les avantages des roues à disque déjà connues, du point de vue aérodynamique, permet une dis- tribution beaucoup plus rationnelle des sollicitations et assure, grâce à cela et grâce aux matériaux que l'on utilise, un rapport résistance/poids beaucoup plus élevé que dans les roues classiques. Il est connu en effet que la jante d'une roue à rayons est sollicitée à la compression par l'action des rayons - qui travaillent, comme on le sait, en traction - et les forces dans le plan de la jante sont le résultat d'un équili- bre entre les rayons qui tirent et la résistance à la réduc- tion du diamètre de la jante comprimée. Toutefois, les rayons exercent cette traction sur des éléments de réaction de la jante qui sont proportionnels à leur nombre. Par suite, chaque arc de jante est sollicité par une traction concentrée en son sommet. Cet arc, en pratique-, peut être considéré comme une poutre incurvée avec appuis élastiques encastrés à mi- chemin entre deux rayons, la charge étant concentrée au centre. En outre, pour la stabilité de la jante, qui, en service, doit absorber des poussées latérales, il est néces- saire de donner aux rayons une inclinaison de carrossage et de les distribuer alternativement à droite et à gauche. La poutre arquée décrite plus haut doit donc supporter aussi la composante de la traction du rayon qui est perpendiculaire au plan de la jante. Celà crée d'autres sollicitations à droite et à gauche de chaque élément d'arc, avec charge concentrée au milieu. Il est connu qu'une poutre sur deux appuis avec charge concentrée au milieu doit avoir un moment d'inertie et un module de résistance plus élevés pour supporter efficacement une charge concentrée, en comparaison d'une charge d'égale grandeur, mais uniformément répartie. Or, une charge uniformément répartie sur le cercle est obtenue par contre avec la roue de l'invention - bien entendu quand elle est au repos - les flancs 3 imposant clai- rement, grace à leur conformation et à leur structure, une sollicitation uniforme de compression de la jante, étendue à toute sa longueur. Celà permet donc d'alléger la section de la jante qui est formée par le tube 6. En outre, étant donné que le poids des flancs 3 réalisés en tissu de fibre imprégné de résine est égal à 50 % environ de celui des rayons métalliques qui, dans la roue classique, exercent la même traction, on comprend facilement à quel point l'amélioration obtenue avec la roue selon l'invention est importante. Il faut noter que dans ce qui précède, sans l'in- diquer explicitement, on a supposé que les flancs 3 de la roue sont continus. D'autre part, l'invention comprend aussi le cas o les flancs 3 présentent des solutions de continuité sous la forme de trous, de fentes ou d'ouvertures en général. L'invention concerne aussi, comme on l'a déjà dit, un procédé de fabrication de la roue décrite ci-dessus, dont la mise au point a obligé à surmonter de nombreuses difficultés. L'uti- lisation de tissu de fibre imprégné de résine pour la forma- tion des flancs des roues pose en effet des problèmes diffi- ciles. En effet, on ne peut exercer sur ce tissu aucune action de traction, alors qu'on a vu que celà était au contraire nécessaire pour le montage des roues, tant que la résine qui contient la fibre n'est pas polymérisée. On peut alors pro- céder, au choix, selon les deux techniques suivantes: -dis- poser le tissu préimprégné par dessus un moule qui lui donne la forme voulue; puis appliquer un vide poussé dans une cloche appropriée pour supprimer toute présence d'air dans la trame du tissu et dans la résine qui le contient; mettre au four ensuite à 1250C environ, pendant un certain temps pour obtenir la polymérisation; - disposer le-tissu par dessus un moule comme dans le cas pr-écédent; recouvrir le tout d'une membrane de matière flexible imperméable à l'air; exercer sur cette membrane une pression de quelques atmosphères; mettre au four comme ci-dessus pour la polymérisation. Le produit que l'on extrait, dans les deux cas, a une légère consistance transversale mais il est prêt à être tiré radialement entre le centre et la périphérie dans la direction de son rayon. Avec ce produit, on peut procéder comme suit à la formation de la roue, si l'on adopte la conformation, décrite et représentée, dans laquelle les flancs sont constitués par un élément unique 8 que l'on enroule sur la jante 6, 7. On forme, au moyen d'éléments triangulaires, placés côte à cote et par- tiellement superposés, de tissu de fibre préimprégné de résine, dont les fibres sont disposées radialement, l'élément unique 8 du dessin, de façon que les flancs qui le constituent soient plans et raccordés à la périphérie extérieure selon le dessin et contiennent la jante, insérée librement entre eux. On exécute ensuite la polymérisation de la façon que l'on a in- diquée. On bloque alors les bords des extrémités du tissu, qui correspondent aux périphéries intérieures des flancs, dans les brides, mobiles axialement, du moyeu 1. A ce stade, on éloi- gne progressivement ces brides, initialement rapprochées (il suffit à cet effet qu'elles soient vissées sur le moyeu grâce à des filetages prévus à cet effet). Ainsi, on met ra- dialement sous tension les deux flancs (dont chaque fibre de- vient l'hypoténuse d'un triangle rectangle dont elle consti- tuait initialement un coté de l'angle droit) et simultané- ment, on comprime la jante. On poursuit l'opération jusqu'à atteindre le carrosage voulu (et naturellement les tensions prévues de façon correspondante dans les flancs et la compres- sion dans la jante). Au lieu de celà, on peut prévoir de maintenir immobiles les brides du moyeu et d'augmenter par contre le diamètre de la jante, en munissant celle-ci d'un élargisseur à vis que l'on actionne quand le montage est exé- cuté et que la polymérisation du tissu est achevée. Par contre, dans le cas o la liaison des flancs 3 au tube 6 s'effectue différemment, c'est-à-dire pour chaque flanc séparément, par exemple par collage, il faut donner préalablement à chaque flanc sa forme définitive. On procède alors comme suit: dans un moule circulaire ayant une forme conique correspondant au carrossage voulu, on applique, côte à côte, des éléments triangulaires de tissu, en partie super- posés, dont les fibres sont disposées radialement. On obtient ainsi un tronc de cône circulaire droit dont la base corres- pond à la périphérie extérieure de la jante sur laquelle il doit être collé et présente-au centre une petite bride conve- nablement positionnée à l'avance au centre du moule pour la liaison mécanique avec les brides du moyeu. Le diamètre de la base du cône est inférieur au diamètre d'équilibre final, dans la mesure nécessaire pour qu'en l'augmentant, on atteigne l'état de traction voulu., Une fois la polymérisation des deux flancs effec- tuée, avec ces mesures, on procède à leur assemblage avec le moyeu et la jante. Un flanc étant fixé au moyeu, on comprime radialement la jante avec une série de pistons disposés sui- vant son rayon, jusqu'à réduire ce dernier dans une mesure égale à la somme des déformations nécessaires pour obtenir, à son retour élastique, l'état d'équilibre calculé à l'avance entre la compression de la jante et la traction des deux flancs. Dans cette configuration dimensionnelle de la jante, les flancs peuvent entourer la jante dans leur zone de contact sur le tore. Il est donc possible, en veillant à l'alignement, d'appliquer le deuxième flanc et de le fixer à la deuxième bride du moyeu. Avec des colles appropriées, on réalise l'ancrage de toute la périphérie du flanc à la jante, avec des goussets extérieurs de liaison entre le flanc droit et le flanc gauche entre les paires de pistons de compression de la jante. Une fois que la colle a pris, on met les pistons hors d'action. Tout le système atteint l'équilibre calculé à l'avance grace à la dilatation des flancs, imposée par l'aug- mentation du diamètre de la jante. Il est entendu que la forme d'exécution de la roue à disque selon l'invention, les procédés et les moyens de fabrication de celle-ci, pourront être différents. Tout celà rentre dans le cadre de l'invention. Il convient de signaler, à la fin de la présente description, que la roue selon l'invention résout de manière globale et rationnelle, et avec des résultats extrêmement sa- tisfaisants, tous les problèmes posés, quant à ce composant essentiel de la bicyclette, par les exigences actuelles très sévères, quand il est destiné à l'usage sportif et spéciale- ment dans les compétitions. Selon l'invention, on réalise en effet une roue qui est à la fois plus robuste et beaucoup plus légère que les roues classiques à rayons et qui, en outre, présente tous les avantages, du point de vue aérody- namique, des roues à disque classiques, sans par ailleurs en avoir les défauts. REVENDICATIONS 1) Roue pour bicyclettes, spécialement de sportet de compétition, du type comportant un moyeu pouvant tourner sur un axe à fixer à la fourche d'une bicyclette, une jante portant un pneumatique et des moyens de liaison travaillant en traction entre moyeu et jante, caractérisée par le fait que les moyens de liaison sont constitués par deux flancs plans (3), inclinés et placés sous tension, réalisés en résine syn- thétique renforcée par des fibres disposées radialement et ancrés de façon stable au moyeu (1) et à la jante (2). 2) Roue selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les deux flancs (3) sont formés en impré- gnant de résine synthétique des tissus en fibres de grande résistance à la traction. 3) Roue selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les fibres sont des fibres de carbone. 4) Roue selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les fibres sont des fibres de "Kevlar". ) Roue selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les flancs (3) sont distincts, d'inclinaison égale ou différente et reliés séparément d'un côté aux brides (10) du moyeu (1), par exemple mécaniquement, de l'autre à la jante (2), par exemple par collage. 6) Roue selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les flancs (3), d'inclinaison égale ou dif- férente, sont tirés d'un élément unique dont les extrémités sont fixées, par exemple mécaniquement, aux brides (10) du moyeu (1) et qui s'enroule pratiquement sur la ligne médiane tout autour de la jante (2) pour s'y relier. 7) Roue selon la revendication 6, caractérisée par le fait que la jante (2) est formée d'un tube (6) en al- liage métallique enroulé en cercle, sur lequel s'enroule la ligne médiane de l'élément formant les flancs (3) de la roue, et d'un canal ouvert (7), lui aussi enroulé en cercle et collé sur la jante au dessus de l'élément. 8) Roue selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les flancs (3) sont continus. 9) Procédé de fabrication d'une roue selon les revendications 1 et 5, caractérisé par le fait que l'on forme chacun des flancs (3) avec l'inclinaison voulue pour celui-ci, en appliquant sur une forme, l'un à côté de l'autre, plusieurs éléments triangulaires de tissu de fibre préimprégné de rési- ne, en les superposant en partie, de manière à obtenir un tronc de cône que l'on polymérise ensuite, en comprimant avec une série de pistons la jante (2) de la roue jusqu'à en ré- duire convenablement le rayon, et en exécutant la liaison de chaque flanc (3) mécaniquement avec les brides (10) du moyeu (1) et par collage avec la jante (2) comprimée. 10) Procédé de fabrication d'une roue selon les revendications 1, 6 et 7, caractérisé par le fait que l'on forme l'élément unique à flancs plans en résine synthétique renforcée de fibres radiales, de façon qu'ils retiennent li- brement dans celui-ci la jante (2), que l'on polymérise, que l'on fixe mécaniquement les extrémités de l'élément aux brides (10) du moyeu (1) et que l'on éloigne ces brides (10) l'une de l'autre pour soumettre à une traction les flancs (3) et donner à ceux-ci l'inclinaison voulue et pour soumettre la jante à une compression. 11) Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'au lieu d'éloigner l'une de l'autre les brides (10) du moyeu (1), on augmente le rayon de la jante (2), par exemple à l'aide d'un dispositif d'expansion à vis. 12) Procédé de fabrication d'une roue-selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il utilise en combinaison les techniques des procédés selon les revendi- cations 9 à 11.