Brevet FR2778624A1 — publié le 19991119

ASSEMBLAGE D'UN PIVOT DE FOURCHE DE BICYCLETTE ET D'UNE TETE DE FOURCHE, PROCEDE DE REALISATION DE L'ASSEMBLAGE, ET FOURCHE LE COMPORTANT. L'invention est relative & un assemblage de pivot de fourche de bicyclette en matériau composite et d'une tête de fourche métallique comportant un logement dans lequel une extrémité du pivot est introduite et fixée, en particulier par collage.10 On rappelle qu'on désigne par "matériau composite, un matériau constitué de fibres à haute résistance mécanique, notamment de fibres de carbone et/ou de fibres de verre, se présentant généralement sous forme de nappes et qui, lors d'une opération de moulage, sont noyées dans une résine du type époxy ou de type polyester, ou équivalent, qui durcit. La densité d'un tel matériau composite est relativement faible et son utilisation, malgré son prix, est recherchée dans tous les cas o la diminution de poids d'un appareil ou d'une machine est primordiale. C'est le cas des bicyclettes, notamment de compétition, pour lesquelles différents éléments composants sont proposés en matériau composite. La Société demanderesse a déposé, le 24 septembre 1997, une demande de brevet français n 97 12881, concernant un pivot de fourche de bicyclette en matériau composite présentant une très bonne résistance mécanique. Dans le cas o le pivot de fourche en matériau composite est assemblé par collage à une tête de fourche métallique, généralement en métal léger tel qu' aluminium ou alliage d'aluminium, les tests de fatigue ont toutefois fait apparaître des problèmes de transmission des contraintes entre le pivot et la tête de fourche. Alors que le pivot se comporte normalement dans les tests de résistance & la flexion frontale (c'est-à-dire résistance aux efforts de freinage et à des chocs longitudinaux) et de résistance latérale (résistance à des efforts transversaux), les tests de fatigue, ou d'endurance, ont mis en lumière une résistance juste suffisante dans la jonction tête de fourche/pivot composite.5 Les marges de sécurité pour les fourches de bicyclette sont prises volontairement larges par les constructeurs, en raison des aléas d'utilisation de telles fourches. Les tests de fatigue, imposés par les constructeurs, sont ainsi rendus très sévères. Il est10 apparu que vers la fin de ces tests de fatigue pouvait se produire, au niveau de la jonction, une rupture inter- couches du matériau composite, ou un délaminage, c'est-à- dire une rupture de la matrice (par exemple résine époxy) entre la première couche de fibres au contact de la tête15 de fourche et les suivantes. Autrement dit, la première couche de fibres reste collée à la tête de fourche, mais il y a séparation de cette première couche de fibres relativement aux autres couches intérieures du matériau composite. La fourche devient inutilisable. L'invention a pour but, surtout, de fournir un assemblage de pivot de fourche de bicyclette en matériau composite et d'une tête de fourche métallique, du genre défini précédemment, dont la résistance aux tests de fatigue soit sensiblement améliorée. Selon l'invention, on prévoit un renfort de pivot agencé de façon & mieux répartir la transmission des contraintes entre les éléments concernés. L'assemblage selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il comporte un renfort de pivot constitué par un manchon en une matière présentant des caractéristiques mécaniques supérieures à celles de la matière de la tête de fourche, l'extrémité du pivot étant engagée et fixée dans ce renfort, lequel est engagé et fixé dans le logement de la tête de fourche, ce renfort de pivot étant conçu pour mieux répartir la transmission des contraintes entre les éléments concernés, sans pour autant créer une augmentation sensible du poids de l'ensemble. La longueur du renfort de pivot est supérieure à la longueur du logement de la tête de fourche de sorte que le renfort fait saillie hors du logement tout en5 étant en butée contre le fond du logement. De préférence, le moment d'inertie de la section transversale du renfort de pivot, par rapport à l'axe du renfort, présente une diminution progressive dans la partie du renfort située hors du logement, jusqu'à l'extrémité du renfort éloignée de la tête de fourche. Cette diminution progressive du moment d'inertie de la section transversale du renfort de pivot débute, avantageusement, à distance de l'extrémité supérieure du logement de tête de fourche.15 De préférence, la diminution du moment d'inertie de la section transversale du renfort de pivot est obtenue par une diminution progressive de l'épaisseur de la partie du renfort située hors du logement de tête de fourche. La surface extérieure de la partie du renfort située hors du logement de tête de fourche peut être cylindrique tandis que la surface intérieure est tronconique évasée vers l'extérieur. La partie du renfort de pivot située hors du logement de tête de fourche peut comporter une zone cylindrique & épaisseur constante entre l'extrémité supérieure du logement de tête de fourche et le début de la surface intérieure tronconique. La flexibilité de la paroi du renfort vis à vis d' efforts radiaux, dans la partie du renfort située hors du logement de la tête de fourche, peut augmenter progressivement jusqu'à l'extrémité du renfort éloignée de la tête de fourche. Cette augmentation de flexibilité de la paroi du renfort peut être obtenue par des fentes longitudinales, dans la paroi, s'ouvrant à l'extrémité du renfort éloignée de la tête de fourche. Le renfort de pivot est avantageusement réalisé en un métal ayant des caractéristiques de résistance mécanique supérieures à celles du métal de la tête de fourche. La tête de fourche est généralement réalisée en métal léger, en particulier aluminium ou alliage d'aluminium. Le renfort de pivot est réalisé en un métal choisi dans le groupe: acier, acier allié, titane, ou en toute autre matière ayant des caractéristiques mécaniques suffisantes. Le pivot en matériau composite peut comporter au moins une cloison longitudinale interne de renforcement. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un assemblage tel que défini précédemment. La fixation du renfort au pivot peut être effectuée lors de l'opération de fabrication du pivot composite, avec injection de résine, le renfort ainsi fixé au pivot étant ensuite engagé et collé dans le logement de la tête de fourche. Selon une autre possibilité, la fixation du renfort au pivot est effectuée par collage sur le pivot au moment de l'assemblage sur la tête de fourche. L'invention concerne également une fourche de bicyclette comportant un assemblage de pivot en matériau composite et d'une tête de fourche, tel que défini précédemment. L'invention consiste, mises & part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'un exemple de réalisation décrit avec référence aux dessins ci-annexés, mais qui n'est nullement limitatif. La Figure i de ces dessins est une vue en élévation d'une fourche de bicyclette, avec un assemblage selon l'invention. La Figure 2 est une vue à plus grande échelle avec parties coupées ou enlevées de l'assemblage du pivot de fourche en matériau composite et de la tête de fourche métallique selon l'invention. La Figure 3 est une coupe longitudinale partielle du pivot en matériau composite et du renfort de pivot, avant fixation dans la tête de fourche. La Figure 4 est une vue en perspective éclatée du pivot en matériau composite, du renfort de pivot et de la tête de fourche avec partie arrachée, avant assemblage. La Figure 5 est une coupe longitudinale axiale du renfort de pivot, à plus grande échelle. La Figure 6 est une vue suivant la ligne VI-VI de la Figure 5. La Figure 7, enfin, est une vue en perspective d'une variante de réalisation du renfort. En se reportant à la Figure 1, on peut voir une fourche de bicyclette i comprenant deux fourreaux 2a, 2b munis, à leur extrémité inférieure, de pattes 3a, 3b pour la fixation de l'axe de la roue avant qui passe entre les fourreaux. Une tête de fourche 4 située en partie haute réunit les fourreaux, et un pivot tubulaire 5 en matériau composite est lié rigidement à la tête 4. La tête de fourche 4, mieux visible sur la Figure 2, est réalisée en métal léger, en particulier aluminium ou alliage d'aluminium, dans un souci de réduction du poids de l'ensemble. La tête 4 comporte un logement 6 légèrement tronconique, dans l'exemple considéré, évasé vers le haut, admettant comme axe géométrique l'axe de symétrie de la tête 4. Le logement 6 pourrait, le cas échéant, être cylindrique. L' axe est confondu avec l'axe A du pivot 5 lorsque celui-ci est en place dans la tête. Le logement 6 est ouvert vers le haut et fermé vers le bas par un fond 6a. La tête 4 a sensiblement la forme d'un U renversé. Chaque branche peut être munie d'un prolongement 7 vers le bas de plus faible section transversale pour une jonction par collage avec les fourreaux 2a, 2b; dans ce cas, la partie supérieure de la tête 4 est apparente. En variante, dans la fourche 1 finie, la tête métallique 4 peut être enrobée de matériau composite suivant le contour schématique en trait mixte 8 (Fig.2), auquel cas la tête 4 peut être dépourvue des prolongements 7. La tête 4 est munie extérieurement, en partie haute, d'une portée cylindrique 9 usinée pour une cuvette de roulement de direction. Un décrochement radial 10 définit l'extrémité basse de cette portée 9. Le diamètre extérieur de la portée 9 est normalisé, la valeur actuelle étant de 26,5 mm. La limite supérieure de la portée 9 est formée par un autre décrochement radial 11.10 Un renfort de pivot 12 est interposé entre le pivot 5 en matériau composite et la tête de fourche 4. Ce renfort 12 est conçu de manière à augmenter la surface de transmission des contraintes entre la tête 4 et le pivot 5 et de manière à diminuer les zones de concentration de contraintes. Le renfort 12 peut être en acier ou en toute autre matière ayant des caractéristiques suffisantes, notamment en titane. Plus généralement, le renfort 12 est réalisé en une matière ayant des caractéristiques mécaniques supérieures à celles du métal de la tête 4. Des essais ont montré qu'en l'absence du renfort 12 une zone d'articulation et de concentration de contraintes se produit sensiblement au niveau du décrochement 10, ce qui est source de problèmes de résistance à la fatigue. Un prolongement de la portée cylindrique 9 pour constituer un fourreau entourant l'extrémité inférieure du pivot 5 et augmenter la surface de collage ne permet pas d'obtenir des résultats satisfaisants. Par contre, la mise en place du renfort 12, en une matière ayant des caractéristiques de résistance mécanique supérieures & celles du métal de la tête 4, a permis d'améliorer à un degré surprenant les valeurs de résistance aux tests de fatigue. Le renfort 12 est agencé pour assurer une transmission progressive des contraintes entre la tête 4 et le pivot 5 et pour éviter des concentrations de contraintes au niveau des décrochements 10 et 11. La longueur L du renfort 12 est supérieure à la longueur 1 du logement 6, de sorte que le renfort 12 fait saillie hors du logement 6 sur une distance H tout en5 étant en butée contre le fond 6a de ce logement. Le moment d'inertie de la section transversale du renfort 12, par rapport à son axe confondu avec l'axe A, présente une diminution progressive dans la partie 12a du renfort située hors du logement 6, jusqu'à l'extrémité10 12e du renfort éloignée de la tête de fourche 4. Cette diminution progressive du moment d'inertie de la section transversale du renfort de pivot débute à une distance D de l'extrémité supérieure 11 du logement 6. La diminution du moment d'inertie de la section transversale du renfort 12 de pivot peut être obtenue par une diminution progressive de l'épaisseur E ( Fig.5) de la partie 12a du renfort située hors du logement 6. La surface extérieure la partie 12a du renfort est cylindrique, alors que la surface intérieure 12b est20 tronconique évasée vers l'extérieur. La partie 12a du renfort de pivot comporte une zone cylindrique 12c à épaisseur constante entre un cercle K ( correspondant à l'extrémité supérieure 11 du logement 6) et le début 12d, ou petite base, de la surface intérieure tronconique 12b. La longueur de la zone 12c est égale à D. A titre d'exemple, non limitatif, la longueur L du renfort 12 est avantageusement comprise entre 60 mm et mm, et est en particulier égale à, ou voisine de, 72 mm. L'épaisseur maximale du renfort 12 est de préférence comprise entre 0,8 mm et 1,2 mm, en particulier égale à 1 mm. La partie 12a fait saillie sur une distance H égale à environ 30 mm. La distance D est égale à environ 5 mm, de sorte que la partie intérieure tronconique 12b définit un chanfrein de longueur axiale J d'environ 25 mm. L'épaisseur minimale du renfort 12 & son extrémité 12e est de 0,2 mm; cette épaisseur augmente régulièrement selon le chanfrein 12b jusqu'à 1 mm au niveau de la petite base 12d. L'épaisseur reste constante ensuite. La Figure 7 montre une variante 12' de réalisation du renfort, dont les différentes parties sont désignées par les mêmes références numériques que précédemment, affectées éventuellement de l'indice'. Cette variante est prévue de sorte que la flexibilité de la paroi du renfort vis à vis d' efforts radiaux ( c'est10 à dire orthogonaux à l'axe), dans la partie 12'a du renfort située hors du logement 6, augmente progressivement jusqu'à l'extrémité 12'e du renfort éloignée de la tête de fourche. Cette augmentation de flexibilité de la paroi est obtenue, dans l'exemple représenté, par des fentes longitudinales S dans la paroi, s'ouvrant à l'extrémité 12'e du renfort éloignée de la tête de fourche, et réparties suivant la périphérie. Le chanfrein pourrait alors être supprimé. La partie 12f, 12'f du renfort 12, 12' s'engageant dans le logement 6 a une forme tronconique, d'épaisseur constante, épousant la forme du logement 6. L'épaisseur du renfort 12, 12' étant relativement faible, l'augmentation de poids n'est pas importante pour une amélioration considérable de la résistance à la fatigue. Le pivot 5 est engagé et fixé par collage dans le renfort 12, 12' son extrémité inférieure venant affleurer l'extrémité inférieure du renfort, lequel est engagé et fixé par collage dans le logement 6. L'extrémité du pivot est conformée pour s'inscrire dans le renfort de sorte que la surface extérieure 5a du pivot prolonge sans décrochement radial la surface extérieure de la partie 12a. Le pivot 5 peut comporter intérieurement au moins une cloison longitudinale 13 diamétrale et de préférence deux cloisons diamétrales à angle droit. Toutefois, l'invention conserve tout son intérêt pour un pivot 5 en matériau composite qui ne comporte aucune cloison longitudinale interne. La mise en place du renfort 12, 12' peut être effectuée de plusieurs manières. Selon une première possibilité, le renfort 12, 12' est mis en place, lors de l'opération de fabrication du pivot 5 en matériau composite, dans le moule avant l'injection de résine. Selon une autre possibilité, le renfort 12, 12' est mis en place par collage sur le pivot 5 au moment de l'assemblage de ce pivot sur la tête de fourche 4. Une fourche de bicyclette 1 comportant un tel assemblage franchit très largement les épreuves de test en fatigue et passe le cahier des charges d'homologation sans problème. L'assemblage selon l'invention peut être réalisé avec un outillage déjà existant pour des fourches à pivot acier, ce qui minimise les investissements en outillage. REVENDICATIONS 1. Assemblage d'un pivot (5) de fourche de bicyclette en matériau composite et d'une tête de fourche métallique (4) comportant un logement (6) dans lequel une extrémité du pivot est introduite et fixée, en particulier par collage, caractérisé par le fait qu'il comporte un renfort (12, 12') de pivot constitué par un manchon en une matière présentant des caractéristiques mécaniques10 supérieures à celles de la matière de la tête de fourche, l'extrémité du pivot étant engagée et fixée dans ce renfort, lequel est engagé et fixé dans le logement de la tête de fourche, ce renfort (12, 12') de pivot étant conçu pour mieux répartir la transmission des contraintes entre les éléments concernés, sans pour autant créer une augmentation sensible du poids de l'ensemble. 2. Assemblage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la longueur (L) du renfort (12, 12') de pivot est supérieure à la longueur (1) du logement (6) de la tête de fourche de sorte que le renfort (12, 12') fait saillie hors du logement (6) tout en étant en butée contre le fond (6a) du logement. 3. Assemblage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le moment d'inertie de la section transversale du renfort (12, 12') de pivot, par rapport à l'axe (A) du renfort, présente une diminution progressive dans une partie (12a, 12'a) du renfort située hors du logement (6), jusqu'à l'extrémité (12e, 12'e) du renfort éloignée de la tête de fourche. 4. Assemblage selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la diminution progressive du moment d'inertie de la section transversale du renfort (12, 12') de pivot débute à distance (D) de l'extrémité supérieure (11) du logement (6) de tête de fourche. 5. Assemblage selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que la diminution du moment d'inertie de la section transversale du renfort (12, 12') de pivot est5 obtenue par une diminution progressive de l'épaisseur (E) de la partie (12a, 12'a) du renfort située hors du logement de tête de fourche. 6. Assemblage selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la surface extérieure la partie (12a, 12'a) du renfort située hors du logement (6) de tête de fourche est cylindrique et la surface intérieure (12b, 12'b) est tronconique évasée vers l'extérieur. 7. Assemblage selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la partie (12a, 12'a) du renfort de pivot située hors du logement de tête de fourche comporte une zone cylindrique (12c) à épaisseur constante entre un cercle (K) correspondant à l'extrémité supérieure (11) du logement (6) de tête de fourche et le début de la surface intérieure tronconique. 8. Assemblage selon l'une des revendications i à 7, caractérisé par le fait que la flexibilité de la paroi du renfort (12') vis à vis d' efforts radiaux, dans une partie (12'a) du renfort située hors du logement de la tête de fourche, augmente progressivement jusqu'à l'extrémité du renfort éloignée de la tête de fourche. 9. Assemblage selon la revendication 8, caractérisé par le fait que l'augmentation de flexibilité de la paroi (12'a) du renfort est obtenue par des fentes longitudinales (S), dans la paroi, s'ouvrant à l'extrémité (12'e) du renfort éloignée de la tête de fourche. 10. Assemblage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le renfort (12, 12') de pivot est réalisé en un métal ayant des caractéristiques de résistance mécanique supérieures à celles du métal de la tête de fourche.5 11. Assemblage selon la revendication 10, caractérisé par le fait que la tête de fourche (4) est réalisée en métal léger, en particulier aluminium ou alliage d'aluminium, et que le renfort (12, 12') de pivot est réalisé en un métal choisi dans le groupe: acier, acier allié, titane. 12. Assemblage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait le pivot (5) en matériau composite comporte au moins une cloison longitudinale interne (13) de renforcement. 13. Procédé de réalisation d'un assemblage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la fixation du renfort (12, 12') au pivot (5) est effectuée lors de l'opération de fabrication du pivot en matériau composite, avec injection de résine, le renfort (12, 12') ainsi fixé au pivot (5) étant ensuite engagé et collé dans le logement (6) de la tête de fourche. 14. Fourche de bicyclette, caractérisée par le fait qu'elle comporte un assemblage de pivot (5) en matériau composite et d'une tête de fourche (4) selon l'une des revendications 1 à 12.