Brevet FR2690128A1 — publié le 19931022

La présente invention est relative à un dispositif de cintre de guidon pour filtrer les vibrations et atténuer les efforts au niveau du guidon, en particulier-pour les vélos tout-terrain (V.T.T.). D'une manière générale, une suspension a pour but de filtrer les vibrations rencontrées, provoquées par l'état du sol dans le cas des V.T.T. et d'écrèter les chocs. La vibration est par définition un mouvement périodique qui se traduit par des oscillations et des efforts plus ou moins importants. Le choc est une impulsion donnée dans un temps très court qui provoque des accélérations et charges très importantes. Dans le cas du V.T.T., les vibrations et chocs sont transmis directement à l'utilisateur par l'intermédiaire de la structure très rigide du vélo. La masse du conducteur étant elevée ne peut répondre simultanément et les efforts sont alors encaissés par les articulations. La seule façon mécanique d'atténuer les efforts est d'interposer entre le sol et l'utilisateur des eléments élastiques. Dans ce cas, ces éléments se déforment et l'effort perturbateur n'est pas transmis intégralement à l'utilisateur. Le problème posé est identique à celui des voitures automobiles ou à celui de l'isolation des machines tournantes. L'atténuation apportée dépend de nombreux paramètres dont le principal est le rapport entre la fréquence de l'excitation et la fréquence propre de la masse suspendue. La fréquence propre peut être matérialisée par la flêche ou écrasement que prendra l'élément élastique sous le poids propre de l'utilisateur. Elle est essentiellement régie par les caractéristiques de l'élément élastique. La fréquence d'excitation, par contre, est liée au nombre d'irrégularités du sol et à la vitesse de roulement. Ainsi, une succession de petites bosses prises à vitesse élevée conduit à une fréquence élevée, tandis qu'une seule bosse arrondie et isolée n'est pas pénalisante. Une bordure de trottoir, par exemple, va se traduire par un choc car le temps de montée de la roue va être très court. Les considérations physiques précédentes montrent que pour atténuer les vibrations et chocs, il faut des éléments élastiques très souples qui laissent le vélo libre de suivre les inégalités du sol sans transmettre de vibrations au passager. Dans le domaine des véhicules à deux roues, les suspensions avant et arrière sont implantées depuis de nombreuses années sur toutes les motos et même cyclomoteurs. L'augmentation des vitesses rend nécessaire ce confort. Sur les vélos tout-terrain, les fourches avant télescopiques ou à leviers sont connues. Elles présentent l'inconvénient de nombreuses pièces mécaniques ajustées dont la fabrication est coûteuse pour de petites séries. L'apparition de matériaux modernes a incité certains équipementiers à remplacer les cintres de guidon en tube d'acier par des tubes en fibre de verre ou/et carbone sans étude particulière du gain apporté, notamment au niveau de la souplesse. La variation de la flêche statique sous le poids de l'utilisateur reste négligeable et l'argument de matériaux nouveaux est uniquement commercial. La rigidité de ces Eléments reste supérieure à celle des pneus qui constituent la seule suspension actuelle. Les excitations connues (venant du sol) impliquent des oscillations verticales dans le plan de symétrie du V.T.T. Les réalisations connues de cintre de guidon sont basées sur l'utilisation de tubes, métalliques ou composites, donc axisymétriques. Le guidon a deux roles : a) Reprise d'une partie du poids de l'utilisateur en descente. b) Direction. Le guidon doit donc être très rigide dans le plan horizontal pour garantir la précision de la direction. Toutes les réalisations basées sur des éléments axisymétriques ne peuvent pas être optimisées dans les deux plans de fonctionnement. Pour obtenir un pouvoir de filtration important, il faut une fréquence très faible. Une flêche sous charge statique de 80 daN (kg) de 30 à 40 mm conduit à une fréquence propre de l'ordre de 2,5 à 3 HZ à comparer à une fréquence d'excitation sur pavés de l'ordre de 50 HZ. Une telle réalisation permettrait au vélo de vibrer sous l'utilisateur sans lui transmettre de sollicitations. Du fait même de la recherche d'une raideur différente selon les axes, et sachant que la flêche d'un élément mécanique longiforme est proportionnel au produit E.I où E est le module d'élasticité du matériau et I son inertie géométrique, il apparaît que pour un matériau donné (E défini), il ne reste que le paramètre I permettant de réaliser-deux raideurs différentes dans deux axes orthogonaux. Ceci élimine d'office toute pièce mécaniquement axisymétrique et conduit à des sections plates indépendantes du matériau utilisé (donc de E). Le deuxième problème à résoudre est celui de l'elastici- té du matériau qui doit dans un axe prendre une flêche importante. Celle-ci étant imposée (environ 30 mm) par l'atténua- tion cherchée, un calcul classique de résistance des matériaux montre que la contrainte de la pièce déformée est inversement proportionnelle à l'inertie et proportionnelle à 11 épaisseur. Pour un produit E.I défini par la raideur, I devra être d'autant plus petit que le module du matériau sera élevé. A titre d'exemple, l'inertie d'une section acier (E = 20000 daN/mm2) sera 5 fois plus petite que celle définie par un composite verre (E = 4000 daN/mm2). Ainsi, à une section en composite verre de 25 x 8 mm correspondra une section acier d'épaisseur 1,6 mm pour une largeur de 624 mm (0,6 mètre) ! Le calcul montre que le choix du matériau est important dès que l'on cherche des pièces à grande déformation. Le choix se fait donc sur un matériau à faible module mais à contrainte de rupture équivalente à celle de l'acier. L'examen des matériaux industrialisables fait tout de suite apparaître la supériorité du verre à fibres unidirectionnelles noyé dans un liant approprié. Le carbone lui-même est intermédiaire entre l'acier et le composite verre, et mal placé pour cette utilisation. Le procédé et le dessin des pièces découlent alors directement du matériau unidirectionnel dont les hautes performances (module : 4000 hbar et R t 100 hbar) sont obtenues par un composite de 50 à 60 % de fibres en volume, non interrompues donc à section constante. Le dessin de l'élement souple du guidon est spécifique au composite unidirectionnel et inconnu des réalisations en acier qui ne peuvent pas garantir les mêmes performances dans les volumes impartis. Le raisonnement précédent est basé sur un matériau homogène et la différence de raideur dans les deux plans est obtenue par la forme de la pièce. D'après le principe habituel de montage du cintre sur la potence où les dimensions d'interface peuvent être pénalisantes, la variation E.I cherchée peut être créée en jouant sur les deux paramètres E et I, I définissant la forme, et E pouvant être modulé dans les deux plans en intercalant une épaisseur de carbone dans l'un des plans de symétrie. Cette conception crée un module équivalent différent dans les deux axes et permet de conserver une section de pièce plus axisymétrique géométriquement. Les deux conceptions : évolution de la forme, utilisation de matériaux différents et leurs multiples possibilités d'arrangement, montrent que le problème est techniquement résolvable malgré les impératifs d'interface. De même, la limitation du mouvement vers le haut peut prendre beaucoup d'importance dans des applications-sportives. Elle peut être contrôlée par l'adjonction de renforts différents (carbone) mais également par le positionnement d'une ou plusieurs contre-lames en matière composite. Ces lames peuvent être précambrées afin de garder le contact avec la lame maîtresse. Ces lames peuvent aussi dans une autre version être jointes entre elles par un produit visco-élastique. Au dessin annexé, donné seulement à titre d'exemple - la figure l est une vue en perspective d'un guidon pouvant être équipé d'un cintre suivant l'invention. - la figure 2 est une vue de face d'un cintre suivant l'invention. Le cintre est constitué de fibres continues et il présente une section transversale de surface sensiblement constante et de géométrie variable, les deux parties souples centrales (A) et (Al) étant amincies et élargies par rapport à la zone destinée à fixation (B) et aux parties terminales (C) et (Cl). - la figure 3 est une vue de dessus de ce même cintre. - la figure 4 est une section suivant XX de la figure 3 schematisånt les fibres qui représentent 50 à 60 % du volume. - la figure 5 représente le mouvement dans le sens vertical dans un type de réalisation. - la figure 6 représente le mouvement dans le sens vertical dans un autre type de réalisation comportant plusieurs lames. Comme représenté aux figures 2 et 3 qui se correspondent verticalement, les parties centrales (A) et (Al) de la lame comprennent une région (Ab) et (Alb) souple et mince d'épaisseur et de largeur sensiblement constante, raccordée chacune par deux régions à section de géométrie évolutive aux deux parties (C) et (C1) rigides. Les parties centrales amincies s'étendent sur un plan parallèle au sol. Grâce à la souplesse de ces deux régions, le cintre peut fléchir dans le sens vertical. Suivant un mode de réalisation préféré de ce dispositif suivant l'invention, le cintre est réalisé en matériau composite à fibres longitudinales non coupées noyées dans un liant. A titre d'exemple, une telle pièce peut comprendre des fibres de verre noyées dans une résine synthétique, telle qu'une résine époxy, la proportion en volume des fibres de verre étant de l'ordre de 50 à 60 %. Elle peut être réalisée dans un moule chauffant pendant l'application d'une pression, permettant d'essorer la résine en surplus pour obtenir le taux de verre sus-indiqué. Une telle structure du cintre permet avantageusement de faire varier la géométrie de la section transversale du cintre en épanouissant à plat les fibres du cintre dans les deux parties centrales et en les rassemblant dans une section de forme compacte au centre et dans les deux parties terminales. Le cintre présente ainsi des sections transversales de surface constante et de moment d'inertie variable, nécessaires dans la présente application et avantageuses du point de vue de la simplicité de fabrication et de la tenue en fatigue du cintre. I1 est évident que l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation ci-dessus décrites et que notamment la forme du cintre peut être courbée soit vers le bas soit vers le haut. Cette forme peut également être à double courbure pour que soit réhaussé ou surbaissé l'appui des mains. De même, la jonction avec la potence peut avoir une forme différente, par exemple ovale, à la place de la classique forme ronde. Le composite fibreux peut se présenter sous la forme de nappes de fibres, d'étoffes tissées ou non tissées, en matière organique ou minérale et est choisi en fonction des caracte- ristiques désirées de ce cintre élastique. REVENDICATIONS 1) Dispositif de cintre de guidon élastique pour bicyc lette (1) caractérisé en ce qu'il comprend une lame en matériau composite à fibres longitudinales continues de bout en bout présentant deux parties centrales souples (A) et (A1) formant articulation pour les deux parties terminales (C) et (C1) comportant les poignées (2) et (2'), l'axe des articulations étant approximativement parallèle au sol, ce dispositif permettant d'atténuer les efforts entre le sol et l'utilisateur, les caractéristiques de raideur restant très importantes sur le plan horizontal afin de conserver la précision de conduite. 2) Dispositif conforme à la revendication 1 caractérisé en ce que le cintre (1) est constitué de fibres continues et présente une section transversale de surface constante et de géométrie variable, les deux parties centrales souples (A) et (A1) étant amincies et élargies par rapport à la partie centrale (B) formant interface avec la potence (3) et les deux parties terminales rigides (C) et (Cl). 3) Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé par des raideurs différentes des deux axes orthogonaux vertical et horizontal. 4) Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le cintre (1) est constitué d'environ 50 à 60 % en volume de fibres continues de bout en bout, noyées dans une résine synthétique. 5) Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé par l'interface central (B) ayant une forme autre que ronde. 6) Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé par un cintre ayant des formes et des angles permettant de surbaisser ou surélever les poignées (2) et (2'). 7) Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé par des renforcements en carbone, par exemple au niveau de l'interface central(B). 8) Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé par le fait qu'il comporte une ou plusieurs lames (4) pour limiter le délaceaent vers le haut ou vers le bas du cintre (1). 9) Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé par des renforcements en carbone, par exemple limitant le débattement vertical. 10) Bicyclette, notamment de type vélo tout-terrain, caractérisée en ce qu'elle comporte un guidon équipé d'un cintre (1) conforme à l'une quelconque des revendications (1) à (9)