Brevet FR2589121A1 — publié le 19870430

FOURCHE DE BICYCLETTE OU ARTICLE SIMILAIRE A BASE D'UNE RESINE RENFORCEE PAR UNE STRUCTURE TEXTILE ET PROCEDE POUR SA FABRICATION. La présente invention concerne une fourche de bicy- clette ou tout autre article similaire à base d'un maté- riau stratifié constitué d'une résine renforcée par une armature textile; elle concerne également un procédé permettant l'obtention d'une telle fourche ou article similaire. Dans la demande de brevet français 83/08 864 (pu- blication 2 546 473), le Demandeur a décrit un nouveau type de cadre de bicyclette à base d'un matériau tubu- laire constitué d'une résine renforcée par une armature textile. Un tel cadre est constitué par l'assemblagej au moyen de manchons, d'éléments tubulaires de section cy- lindrique ou conique dans lesquels les armatures texti- les de renforcement sont constituées d'une superposition de gaines tressées réalisées d'une manière bien détermi- née en fonction des caractéristiques mécaniques que doit présenter un tel ensemble. La jonction des différents tubes élémentaires cons- tituant chaque partie du cadre au moyen de manchons don- ne satisfaction et il aurait pû être envisagé de réali- ser d'une manière similaire une fourche dans laquelle la tête et les deux fourreaux auraient été réalisés, tout comme les différents éléments du cadre, à partir d'élé- ments tubulaires à base de résines renforcées par une armature textile constituée de tresses superposées, la tête étant cylindrique et les deux fourraux profilés, mais alors on se trouve confrcnté à un certain nombre de problèmes techniques délicats à surmonter tels que par exemple: - la difficulté d'avoir une symétrie parfaite entre les deux fourreaux; une zone de faiblesse au niveau de la jonction - 2 - entre les fourreaux et la tête alors que c'est cette zone qui est soumise aux contraintes mécaniques les plus élevées; Pour surmonter ces inconvénients, il aurait pû être envisagé de réaliser le raccordement des matériaux com- posites soit par surmoulage, soit par collage. Des essais réalisés dans ce sens ont cependant permis de constater que même en choisissant des résines connues pour leur très bonne résistance mécanique, tel que par exemple des composés à base de résines polyester ou epo- xy chargées de fibres de verre, il n'était pas possible d'obtenir une fourche donnant satisfaction par le fait que l'on constate: - un manque d'homogénéité au niveau de la jonction par le-fait d'une mauvaise répartition des fibres cou- pées dans la structure de la pièce; - un fluage important par suite des sollicitations mécaniques; - une résistance à la fatigue des pièces très fai- ble; - un gain de poids négligeable par rapport à une liaison au moyen de manchons métalliques (en aluminium) par le fait qu'il est nécessaire d'avoir un surdimensionnement pour compenser un module d'élasticité très faible. L'invention permet de résoudre ces problèmes et concerne un nouveau type de fourche dans lequel le pivot, la tête et les deux fourreaux sont réalisés en une seule pièce obtenus directement par moulage, qui non seulement est très légère mais également présente de très bonnes caractéristiques de tenue en fatigue et de résistance aux contraintes flexion/cisaillement. - 3 - D'une manière générale, le nouveau type de fourche conforme à l'invention se présente sous la forme d'un ensemble moulé, en une seule pièce, à base d'une résine renforcée par une armature textile et comportant le pivot, la tête de fourche ainsi que les deux fourreaux, ladite armature textile étant constituée au moins pour partie d'une superposition de gaines tressées bidirectionnelles emprisonnant entre elles des fils longitudinaux disposés parallèlement aux génératrices de ladite fourche et elle se caractérise par le fait que les fils longitudinaux de l'armature de renforcement sont disposés régulièrement sur toute la périphérie de la fourche et ce, aussi bien autour des fourreaux (ou jambes) qu'autour de la tête de fourche et du pivot de direction. Certes il avait déjà été proposé par le Demandeur, dans sa demande de brevet français n 79/19 745 (publié sous le n 2 462 266) de réaliser des matériaux strati- fiés tubulaires comportant un tel renfort unidirection- nel disposé sur toute leur périphérie. Il n'était cepen- dant pas envisageable d'appliquer une telle technique à la réalisation d'articles de forme complexe telle qu'une fourche de vélo car alors on se trouve confronté au pro- blème de la mise en place desdits fils unidirectionnels dans certaines zones, telles que celles comprises par exemple entre les deux fourreaux sous la tête de fourche. Par suite, en mettant en oeuvre les enseigne- ments de ce document, au mieux on aurait p envisager de disposer de tels renforts unidirectionnels le long des fourreaux et le long du pivot, mais en aucun cas il n'était envisageable de disposer de tels renforts lGngi- tudinaux dans la zone de jcnction entre ces éléments à savoir la tête de fourche. Un tel obstacle est surmonté dans la fourche con- - 4 - forme à l'invention grâce au processus particulier per- mettant de 12 réaliser et qui fait également l'objet de la présente demande et dont deux modes de mise en oeuvre seront donnés ci-après à titre illustratif mais non limitatif. D'une manière générale, un tel processus de fabri- cation consiste à recouvrir un noyau préalablement formé ayant la configuration de la fourche à réaliser, et des -____ -dimenesionslégèrement inférieures pour tenir compte de l'épaisseur des renforts qui seront disposés autour de ce noyau, renfort constitué de tresses unidirectionnel- les et bidirectionnelles de type connu, préalablement fabriquées. Le procédé selon l'invention se caractérise en ce que lors de la mise en place des tresses autcur du noyau, il est impératif: - qu'elles recouvrent non seulement la tête de fourche mais également qu'elles remoncntent sur au moins une partie de la hauteur du pivot, - qu'elles emprisonnent, dans la zone constituée du pivot, de la tête, et d'au mcins l'amorce des fourreaux, à proximité de la tête, des fils longitudinaux disposés selon les génératrices de la fourche; - qu'après mise en place des différentes tresses de 2e renforcement le long des fourreaux, de la tête et du pi- vot, ce dernier soit recouvert d'un manchon emprisonnant ]'ensemble des couches préalablement disposées autour du noyau. Diverses solutions peuvent être envisagées pour mettre en ceuvre un tel procédé. Selon une Fremière forme de mise en oeuvre, la fourche conforme à l'invention est obtenue à partir d'un noyau monoblcc. Dans ce cas, les fils longitudinaux qui recouvrent]e pivot, la tête et l'amorce des fourreaux sont préalablement disposés autour de cette zone et sont - 5 maintenus plaqués contre le noyau par au moins une couche d'une tresse bidirectionnelle, les branches étant alors réalisées, également au moyen de tresses bi et unidirectionnelles en prenant soin de faire remonter leurs extrémités le long de la tête et d'une partie de la hauteur du pivot de telle sorte qu'elles se recouvrent mutuellement dans la zone de jonction en-dessous de la tête. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre, la four- che conforme à l'invention est réalisée à partir de deux demi-noyaux correspondant chacun à une demi-fourche coupée selon le plan de symétrie passant par l'axe du pivot, les différentes couches de renfort textile étant alors, dans ce cas, constituées de tresses unidirection- nelles et bidirectionnelles, de longueur croissante, disposées autour des deux demi-noyaux, et qui sont, comme précédemment, recouvertes d'un manchon entourant le pivot et qui assurent donc également le maintien des deux noyaux lors de l'opération de moulage proprement dite. L'invention et les avantages qu'elle appporte se- ront cependant mieux compris grâce aux exemples donnés ci-après à titre indicatif et non limitatif et qui sont illustrés par les schémas annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue partielle, en perspecti- ve, d'une bicyclette comportant une fourche réalisée conformément à l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective, partiel- lement coupée, de la préforme d'une fourche conforme à l'invention avant moulage final; - les figures 3a à 3e illustrent les différentes phases d'un premier mode de réalisation permettant de réaliser une préforme pour l'obtention d'une fourche conforme à l'invention; - la figure 4 est une vue schématique en perspec- -6- tive, éclatée, montrant les différentes phases d'obten- tion selon un second mode de réalisation d'une préforme permettant d'obtenir une fourche conforme à l'invention. Ainsi que cela ressort de la figure 1, dans une bi- cyclette, la fourche (1), qui supporte le guidon (2) et la roue avant (3), est montée sur le cadre proprement dit (4) à l'intérieur du tube de direction (5). Une telle fourche (1) est constituée essentiellement de trois parties principales, à savoir de deux fourreaux (6a,6b) entre lesquels est montée la roue (3), d'un pivot (7) disposé à l'intérieur du tube de direction (5) et à l'extrémité duquel est fixé le guidon (2), les fourreaux (6a,6b) et le pivot (7) étant réunis entre eux par une zone de jonction (8) dite "tête". A ce jour, comme rappelé précédemment, les quatre parties formant la fourche sont assemblées entre elles soit par soudure dans le cas d'une fourche en acier, soit éventuellement par collage dans le cas de fourche à base d'autres matériaux non soudables, tels que par exemple en duraliminium ou en matériaux composites à base de résines renforcées par une structure textile, un tel collage nécessitant en général la présence d'inserts de raccordement entre les différents éléments. Contrairement aux solutions antérieures, la fourche selon l'invention est réalisée, en une seule pièce, ob- tenue par moulage d'une résine renforcée par une armatu- re textile, ladite armature textile comportant, confor- mément à l'invention, une superposition de couches com- portant, d'une part, des fils (9) disposés circonféren- tiellement et en biais par rapport aux génératrices de la fourche et, d'autre part et surtout, des fils longitudinaux (10), disposés parallèlement aux génératrices, sur toute la périphérie des différentes parties de la fourche, c'est-à-dire aussi bien autour des fourreaux qu'autour de la tête de fourche que du - 7- pivot de direction: Comme matériau textile de base permettant d'obtenir une telle répartition et disposition des filaments de renforcement de la résine, cn utilisera de préférence des gaines tressées bidirectionnelles pour les fils (10) destinés à être répartis circonférentiellement par rapport aux génératrices et, pour les fils destinés à être disposés parallèlement aux génératrices, des tresses unidirectionnelles c'est-à-dire des tresses constituées pour partie majoritaire de fils parallèles liés entre eux par des fils très fins, avantageusement extensibles, tels que des fils textures, le liage permettant un glissement desdits fils longitudinaux les uns par rapport aux autres afin d'en faciliter la mise en place comme cela sera vu dans la suite de la description. Comme matière textile constituant de telles tres- ses, on utilisera de préférence des fils à base de carbone, la résine utilisée étant alors une résine épo- xy. Bien entendu, tout autre type de fil présentant des caractéristiques mécaniques appropriées ainsi que tout autre type de résine pourrait également être utilisé. Un tel type de fourche est réalisé selon un procédé qui fait également partie de l'invention. Un tel procédé consiste à réaliser, avant moulage, une structure textile de renforcement ayant la forme de la fourche finale et dans laquelle les fils de renforce- ment sont positionnés de la manière précitée. Pour ce faire, diverses solutions sont envisagea- bles. Selon un premier mode de mise en oeuvre, qui est illustré par les figures 3a à 3f, on réalise dans un premier moule, un noyau désigné par la référence générale (11), dans un matériau cellulaire genre mousses de polyuréthane rigides ou semi-rigides. Les dimensions - 8 - de ce noyau seront bien entendu réduites par rapport aux dimensions de la fourche finale et ce, en fonction du nombre de couches de renfort. Les différentes parties de ce noyau correspondant aux différentes parties de la fourche seront désignées par les mêmes références (6a,6b,7,8) que pour la fourche elle-même. Afin d'obtenir la répartition appropriée des fils, on procède de la manière suivante. Dans un premier temps, ainsi que cela ressort des figures 3a et 3b, on dispose le long du pivot (7) une bande de fils longitudinaux, constituée par exemple d'un ruban tressé, de manière à venir envelopper l'avant et l'arrière du pivot en passant sous la tête de fourche. Cela étant fait, on enfile autour du pivot (7) (voir fi- gure 3), une succession de couches de tresses bidirec- tionnelles et unidirectionnelles. La longueur de ces tresses bidirectionnelles et unidirectionnelles est telle que l'on arrive sensiblement au niveau de la jonction des fourreaux (6a,6b) avec la tête de fourche (8). Lors de la mise en place des tresses unidirectionnelles, on prend soin cependant de faire glisser légèrement les fils longitudinaux de ces tresses pour qu'ils viennent s'appliquer sur l'amorce des fourreaux (6a,6b). En général, on réalise un empilement (12) comportant au moins une tresse unidirectionnelle et une tresse bidirectionnelle. De cette manière, la totalité de la périphérie du pivot (7) se trouve donc recouverte de fils disposés circonférentiellement et longitudinalement. La partie (7) du noyau correspondant au pivot étant ainsi recouverte d'une structure de renforcement, on procède alors au recouvrement des fourreaux (6a,6b). Ce recouvrement est réalisé en enfilant alternativement sur chacun des fourreaux (6a,6b) (voir figure 3d), une -9- succession de tresses unidirectionnelles et bidirection- nelles (13). Afin d'obtenir la forme profilée des four- reaux (6a,6b), les différentes couches superposées ont une longueur croissante. Par ailleurs, lors de la mise en place, on prend soin, ainsi que cela est illustré à la figure 3d, de faire entrecroiser les extrémités (14) des tresses dans la portion située sous la tête de fourche afin de la recouvrir entièrement et de faire remonter l'extrémité (15) des fils longitudinaux le long du pivot. Les fourreaux étant formés, on procède alors à la finition du pivot (7) (voir figure 3e) en rapportant autour de ce pivot une succession de couches de tresses unidirectionnelles et de tresses bidirectionnelles (16) jusqu'à obtention du diamètre extérieur du pivot. La préforme ainsi revêtue est ensuite introduite dans un second module qui est aux dimensions finales de la pièce et o l'opération de moulage proprement dite est réalisée. Le processus de moulage est un processus conventionnel qui consiste après fermeture du moule et mise sous presse à préchauffer ledit moule à environ "C. Cela étant fait, on injecte de la résine, résine epoxy par exemple, à l'intérieur du moule et l'on monte en température jusqu'à 90-130 C suivant la résine utilisée. Après polymérisation et refroidissement, on procède au démoulage et la pièce est ensuite ébarbée, les extrémités des fourreaux coupées et évidées pour permettre la mise en place des pattes de fixation de la roue. Le pivot central est coupé à la hauteur souhaitée et est usiné de manière à permettre la mise en place du tube fileté de fixation du guidon. La réalisation de la structure textile de renforce- ment peut éventuellement être réalisée selon un autre processus qui est illustré à la figure 4. Selon cette variante, au lieu d'utiliser un noyau - 10 - (11) unique, on utilise deux demi-noyaux (lla,llb) cor- respondant chacun à une demi-fourche. Dans cette varian- te, la superposition des éléments bidirectionnels et unidirectionnels afin d'obtenir la configuration de la structure textile de renforcement conformément à l'invention est réalisée à partir de tresses depuis le pivot (7). Les tresses ont des longueurs croissantes depuis ce pivot (7) jusqu'aux extrémités des fourreaux (6a,6b). Lorsque les deux demifourches ont été ainsi revêtues du nombre de couches textiles souhaité, comme dans l'exemple précédent, on dispose autour du pivot (7) une superposition de gaines tressées unidirectionnelles et bidirectionnelles (16) jusqu'à obtention du diamètre final du pivot. La préforme ainsi réalisée est ensuite traitée d'une manière similaire à l'exemple précédent. Par rapport à l'exemple précédent, une telle solu- tion permet de simplifier le processus de fabrication et notamment d'éviter la mise en place des fils longitudi- naux (10) le long du pivot et d'avoir automatiquement une bonne répartition des fils sur toute la périphérie de la fourche sans avoir à faire chevaucher les extrémi- tés des gaines tressées. En revanche, un tel processus implique un soin particulier lors de l'assemblage des deux demi-fourches pour obtenir une symétrie parfaite. Les fourches réalisées conformément à l'invention présentent de très nombreux avantages par rapport aux solutions antérieures, notamment par le fait qu'elles éliminent toute opération d'assemblage entre les four- reaux, la tête de fourche et le pivot. Par ailleurs, elles présentent de très bonnes caractéristiques aux contraintes de flexion/cisaillement ainsi qu'une très bonne tenue à la fatigue. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation donnés précédemment mais elle en - il - couvre toutes les variantes réalisées dans le même esprit. 1 Fourche de se d'une résine caractérisée par - 12 - REVENDICATIONS bicyclette ou article similaire à ba- renforcée par une structure textile, le fait qu'elle se présente sous la forme d'un ensemble moulé, en une seule pièce, comportant le pivot (7), la tête de fourche (8) et les deux fourreaux (6a,6b), l'armature textile de renforce- ment étant constituée au moins pour partie d'une super- position de gaines tressées bidirectionnelles emprisonnant entre elles des fils longitudinaux (10) disposés parallèlement aux génératrices de ladite fourche, lesdits fils longitudinaux (10) étant répartis régulièrement sur toute la périphérie de la fourche et ce, aussi bien autour des fourreaux (6a,6b) qu'autour de la tête de fourche (8) E 2/ Procédé pour la la revendication 1, E consiste à recouvrir ui la configuration de dimensions légèrement compte de l'épaisseur autour de ce noyau, unidirectionnelles et et du pivot de direction (7). réalisation d'une fourche selon caractérisé par le fait qu'il In noyau préalablement formé ayant la fourche à réaliser et des inférieures à celle-ci pour tenir des renforts qui seront disposés renforts constitués de tresses bidirectionnelles préalablement fabriquées, la mise en place desdites tresses autour du noyau étant réalisée de telle sorte: - qu'elles recouvrent non seulement la tête de fourche (8) mais éqalement qu'elles remontent sur au moins une partie de la hauteur du pivot (7); - qu'elles emprisonnent, dans la zone constituée du pivot (7) de la tête (8) et au moins l'amorce des fourreaux (6a,6b) à proximité de la tête (8), des fils longitudinaux (10) disposés selon les génératrices de la fourche qu'après mise en place des différentes tresses de renforcement le long des fourreaux (6a,6b), de la tête - 13 - (8) et du pivot (7), ce dernier soit recouvert d'un manchon (16) emprisonnant l'ensemble des couches préala- blement disposées autour du noyau. 3/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le noyau est monobloc, les fils longitudinaux (10) qui recouvrent le pivot (7), la tête de fourche et l'amorce des fourreaux (6a,6b) étant préalablement disposés autour de ces zones et étant maintenus plaqués contre le noyau par au moins une couche de tresses bidirectionnelles (12), les branches (6a, 6b) étant alors réalisées, également au moyen de tresses bi et unidirectionnelles en prenant soin de faire remonter leurs extrémités le long de la tête (8) et d'une partie de la hauteur du pivot (7) de telle sorte qu'elles se recouvre mutuellement dans la zone de jonction (14) en-dessous de la tête. 4/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le noyau est constitué de deux demi- noyaux (lla,llb), correspondant chacun à une demi-fourche selon le plan de symétrie passant par l'axe du pivot, les différentes couches de renfort textile étant alors constituées de tresses unidirection- nelles et bidirectionnelles, de longueur croissante, disposées autour des deux demi-noyaux et qui sont recouvertes d'un manchon (16) entourant le pivot (7), manchon qui assure donc également le maintien des deux noyaux lors de l'opération de moulage proprement dite.