Brevet FR2636386A1 — publié le 19900316

Pièce allongez résistance mécanique élevée, et son procédé de fabrication La présente invention concerne une pièce allon gée résistance mécanique élevée, et son procédé de fabrication. La présente invention concerne particulièrement, parmi les pièces en question, les manivelles pour péda- liers de cycles. On connait actuellement les manivelles en acier forgé, lesquelles présentent une excellente rigidité, une bonne tenue la fatigue et un bon facteur de sécu- rite, mais avec l'inconvénient d'avoir une masse élevée. Pour y pallier, on a utilisé par suite un alliage d'aluminium à hautes performances mécaniques moule en coquille ou moulé sous pression, ou moulé et estampé chaud. On obtient alors des modules de flexion et de torsion très élevés et un gain de masse important, mais avec une perte notable de la tenue en fatigue et une forte sensibilité aux défauts de fonderie. Les manivelles de cycles étant soumises des efforts alternés très importants, il en résulte un risque considérable de cassure et donc des risques d'accidents graves pour les utilisateurs. Le but de la présente invention est de remédier a ces inconvénients de la technique antérieure, et de réaliser des manivelles pour pédaliers de cycles, ou toute pièce mécanique allongée et soumise au même genre de contraintes, et permettant d'obtenir - une rigidité élevée, égale ou supérieure celle des meilleures réalisations en alliage d'aluminium - une masse plus faible ; - une excellente tenue en fatigue sous efforts alternés ; et - une excellente sécurité. Bien entendu, la structure de cette pièce conforme a l'invention devra permettre d'assurer la liaison mécanique avec d'autres organes. Dans le cas d'une manivelle pour pédalier de cycle, il s'agira d'assurer à une extrémité la liaison par carré sur l'axe du pédalier, et a l'autre extrémité la liaison par filetage sur l'axe de la pédale. Dans ce type d'application, il conviendra tout particulièrement d'obtenir une excellente rigidité en traction, en compression et en flexion suivant les deux axes principaux de la pièce, et une excellente rigidité en torsion. En effet, les efforts de torsion sur une manivelle de'pédalier de cycle sont très importants, du fait de l'application d'un effort en porte-a-faux de la pédale sur la manivelle. L'ensemble de ces conditions a conduit à penser utiliser la technique connue des matériaux composites, mettant en oeuvre des fils d'un matériau à haut module d'élasticité, tels que des fils de carbone, verre, kevlar et analogues, bobinés entre deux inserts, métalli- ques ou non, permettant d'assurer les liaisons mécaniques précitées, ces fils étant noyés dans une résine synthétique polymérisée. L'invention consiste plus particulièrement a adapter cette technique connue å la fabrication des pièces allongées dont il a été parle plus haut, et plus spécialement des manivelles pour pédaliers de cycles. Pour ce faire, une pièce allongée du type cons titubé de fils d'un matériau a haut module d'élasticité bobinés entre deux inserts extrêmes, ces fils étant noyés dans une résine synthétique polymérisée, conforme à l'invention, sera essentiellement caractérisée en ce que lesdits inserts comportent chacun deux flasques latéraux définissant d'une part des gorges pour le guidage des fils lors de leur bobinage, et d'autre part des surfaces d'appui et d'adhérence latérales pour les extrémités respectives de la nappe bobinée. On obtiendra ainsi l'excellente résistance mécanique souhaitée, et notamment une excellente résistance a la torsion, se traduisant, aux extrémités de la pièce, par l'élimination de tout risque de fissure ou de décollement ; latéralement, les flasques maintiendront parfaitement les nappes de fils bobinés b l'encontre des efforts de torsion, et fourniront une surface d'adhésion aussi importante que souhaitable. Ces flasques permettront également d'obtenir une excellente reprise des efforts de flexion, en particulier dans le plan de plus faible inertie de la pièce. Les fils ou fibres, une fois la résine polyméri suée, formeront une liaison continue entre les deux in sert s et réaliseront un ensemble composite monobloc et continu présentant directement les rigidités voulues en traction, compression et flexion suivant les deux axes, ces rigidités étant conférées à la pièce par les modules en traction et en compression des fibres utilisées. Pour garantir au maximum l'obtention de l'effet recherché, il est encore avantageux de prévoir que, sur au moins une face latérale, le flasque, b une ou aux deux extrémités, s'étend sur toute la longueur de l'insert. Avantageusement aussi, la pièce est revêtue d'au moins une tresse en un matériau à haut module d'élasti- cité, imprégnée d'une résine synthétique polymérisée, cette tresse se présentant commodément sous la forme d'une gaine enfilée sur la nappe bobinée et recouvrant les inserts. De préférence, les fils de la tresse une fois en place font entre eux des angles compris entre f 25 et + 45", par rapport å l'axe de la pièce. Cette tresse, en une ou plusieurs couches, contribue encore à l'obtention d'une excellente résistance en torsion et confère å la pièce un aspect et une finition parfaits. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, ledit matériau å haut module d'elasticite est réalisé à partir de fibres de carbone ou de fibres aramides ou analogues, et la résine synthétique est du type thermofusible ou thermodurcissable à hautes performances, du genre epoxy ou analogue. On peut prévoir de plus, à l'intérieur de ladite nappe de fils bobinés, un remplissage en mousse, ceci pour augmenter l'inertie à la flexion de la pièce, dont la partie résistante a alors une forme tubulaire. Lorsqu'une pièce conforme à l'invention est con çue pour constituer une manivelle de pédalier de cycle, elle peut encore se caractériser en ce qu'elle comporte des inserts en alliage d'aluminium à hautes performances, l'un présentant, pour sa fixation sur le plateau du pédalier, un col fileté en saillie sur une face de la pièce et étant traversé d'un trou a section carrée pour sa fixation sur l'axe du pédalier, et l'autre étant traversé d'un trou taraudé pour la fixation de la pédale. L'invention concerne encore un procédé de fabrication d'une pièce allongée et plus spécifiquement d'une manivelle pour pédalier de cycle comportant une ou plusieurs des caractéristiques qui viennent d'être defi- nies. D'une façon générale, ce procédé se caractérise en ce que l'on positionne précisément les deux inserts l'un par rapport a l'autre, en ce que l'on bobine dessus lesdits fils du matériau a haut module d'élasticité, ces fils étant imprégnés d'une résine synthétique polymérisée, et en ce que l'on polymérise cette résine. L'opération de bobinage peut être réalisée par enroulement de plusieurs tours de fils sur les inserts ou par enroulement sur les inserts, en un ou plusieurs tours, d'une nappe ou ruban constitué d'un certain nombre de fils parallèles, ce ruban ayant une largeur égale à l'espacement entre les deux flasques de chaque insert. Les fils, quel que soit leur mode d'enroulement, peuvent être préimprégnés ou enduits de résine par une opération effectuée avant le bobinage. Avantageusement, la polymérisation de la résine imprégnant les fils bobinés est assurée dans un outillage maintenant le positionnement relatif correct des deux inserts et assurant l'application d'une pression parallèlement aux nappes pendant ladite polymérisation, ce qui permettra d'obtenir une pièce de cotes précises. Après polymérisation des nappes de fils, on revêt la pièce d'une ou de plusieurs tresses de fil à haut module d'élasticité, on imprègne la tresse de résine, et l'on effectue la polymérisation finale dans un moule métallique pourvu de moyens de chauffage et de refroidissement, assurant ainsi l'aspect et la géométrie externe de la pièce. On peut prévoir que la résine thermodurcissable est injectée dans un moule fermé contenant la pièce revêtue de sa tresse ou, à titre de variante, que la résine thermodurcissable est mise en place dans un moule ouvert, avant et après mise en place de la pièce revêtue de sa tresse, le moule étant ensuite fermé et mis en pression, ensuite de quoi on procède å la polymérisation. Une manivelle pour pédalier de cycle réalisée conformément a l'invention est représentée à titre d'exemple sur le dessin annexé dans lequel - la figure 1 représente la manivelle de profil ; et - la figure 2 représente la manivelle en plan avec vue en coupe de sa partie centrale. Sur les figures, on a référencé 1 l'insert destiné à la fixation à l'axe du pédalier, et 2 celui destiné à la fixation de la pédale. Leurs flasques latéraux respectifs ont été référencés la, lb et 2a, 2b. L'insert 1 est pourvu d'un col 3 fileté en 4 et est traversé d'un trou carré 5 propre a le caler en rotation sur l'axe du pédalier. Un écrou vissé sur la partie filetée 4 permettra de fixer la manivelle sur le plateau denté du pédalier, lequel pourra également être réalisé en fibres de carbone. Cette fixation pourra être complétée dans ce cas par un collage de l'extrémité de manivelle sur le plateau. Le calage sur en rotation pourra être assuré entre ces deux pièces par une goupille excentrée traversant la manivelle parallèlement à son axe de rotation et fixée dans le plateau. Quant à la pédale, elle sera fixée par vissage dans un trou taraudé 6 de l'insert 2. Enfin, on a référencé 7 les nappes de fibres bobinées unidirectionnelles (au nombre d'une vingtaine), 8 les tresses de revêtement (par exemple au nombre de trois), et 9 un remplissage en mousse de polvuréthane. Il est à noter que pour mieux montrer les inserts, qui de préférence sont complètement entourés par la tresse, on n'a représenté celle-ci que partiellement, au niveau de la partie centrale coupée de la figure 2. REVENDICATIONS 1. Pièce allongée a résistance mécanique élevée, du type constitué de fils d'un matériau a haut module d'élasticité bobinés entre deux inserts extrêmes, ces fils étant noyés dans une résine synthétique polymérisée, caractérisée en ce que lesdits inserts (1,2) comportent chacun deux flasques latéraux (la,lb;2a,2b) définissant d'une part des gorges pour le guidage des fils (7) lors de leur bobinage, et d'autre part des surfaces d'appui et d'adhérence latérales pour les extrémités respectives de la nappe bobinée. 2. Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que, sur au moins une face latérale, le flasque, A une ou aux deux extrémités, s'étend sur toute la longueur de l'insert. 3. Pièce selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle est revêtue d'au moins une tresse (8) en un matériau å haut module d'élasticité, imprégnée d'une résine synthétique polymérisée. 4. Pièce selon la revendication 3, caractérisée en ce que la tresse (8) se présente sous la forme d'une gaine enfilée sur la nappe bobinée. 5. Pièce selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que la tresse recouvre les inserts (1,2). 6. Pièce selon l'une quelconque des revendications 3 a 5, caractérisée en ce que les fils de la tresse une fois en place font entre eux des angles compris entre t 25' et t 450, par rapport à l'axe de la pièce. 7. Pièce selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit matériau å haut module d'élasticité est réalisé a partir de fibres de carbone ou de fibres aramides ou analogues, et en ce que la résine synthétique est du type thermofusible ou thermodurcissable a hautes performances, du genre epoxy ou analogue. 8. Pièce selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte intérieurement, å savoir à l'intérieur de ladite nappe (7) de fils bobinés, un remplissage en mousse (9). 9. Manivelle, notamment pour pédalier de cycle, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une pièce conforme à l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Manivelle selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comporte des inserts (1,2) en alliage d'aluminium A hautes performances, l'un présentant, pour sa fixation sur le plateau du pédalier, un col (3) fileté (4) en saillie sur une face de la pièce et étant traversé d'un trou a section carrée (5) pour sa fixation sur l'axe du pédalier, et l'autre étant traversé d'un trou taraudé (6) pour la fixation de la pédale. 11. Procédé de fabrication d'une pièce allongée ou d'une manivelle conforme a l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on positionne précisément les deux inserts l'un par rapport a l'autre, en ce que l'on bobine dessus lesdits fils du matériau a haut module d'élasticité, ces fils étant imprégnés d'une résine synthétique polymérisée, et en ce que l'on polymérise cette résine. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'opération de bobinage est réalisée par enroulement de plusieurs tours de fils sur les inserts. 13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'opération de bobinage est réalisée par enroulement sur les inserts, en un ou plusieurs tours, d'une nappe ou ruban constitué d'un certain nombre de fils parallèles, ce ruban ayant une largeur égale a l'espacement entre les deux flasques de chaque insert. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 å 13, caractérisé en ce que les fils, enroulés individuellement ou en rubans, sont préimprégnés. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 13, caractérisé en ce que les fils, enroulés individuellement ou en rubans, sont enduits de résine par une opération effectuée avant le bobinage. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 å 15, caractérisé en ce que la polymérisation de la résine imprégnant les fils bobinés est assurée dans un outillage maintenant le positionnement relatif correct des deux inserts et assurant l'application d'une pression parallèlement aux nappes pendant ladite polymérisation. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 å 16, caractérisé en ce qu'après polymérisation des nappes de fils, on revêt la pièce d'une ou de plusieurs tresses de fil å haut module d'élasticité, on imprègne la tresse de résine, et l'on effectue la polymérisation finale dans un moule métallique pourvu de moyens de chauffage et de refroidissement, assurant ainsi l'aspect et la géométrie externe de la pièce. 18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que la résine thermodurcissable est injectée dans un moule fermé contenant la pièce revêtue de sa tresse. 19. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que la résine thermodurcissable est mise en place dans un moule ouvert, avant et après mise en place de la pièce revêtue de sa tresse, le moule étant ensuite fermé et mis en pression, ensuite de quoi on procède å la polymérisation.