Brevet FR2784622A1 — publié le 20000421

Rayon composite pour une roue de bicyclette et son procédé de fabrication L'invention concerne un rayon réalisé en matériau composite pour une roue à rayons travaillant à la traction, notamment une roue de bicyclette. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel rayon. Les roues à rayons actuelles pour bicyclettes ont généralement des rayons réalisés à partir d'une fine tige en acier inoxydable, qui présente à un bout une tte élargie, et à l'autre bout une zone filetée prévue pour coopérer avec un écrou. La principale qualité d'un rayon est sa tenue à l'allongement, et sa résistance à la rupture sous 1'effet de la traction à laquelle il est soumis. Ceci est défini par la raideur spécifique du matériau utilisé, qui est le rapport entre son module d'élasticité et sa densité. Un autre paramètre à prendre en compte est le nombre de rayons et le poids de chaque rayon qui sont nécessaires pour obtenir la rigidité désirée de la roue. Un autre paramètre est le volume et le profil transversal de chaque rayon qui influent sur l'inertie et la pénétration dans l'air de la roue. On a trouvé que tous les matériaux de type métallique utilisables pour réaliser des rayons avaient une raideur spécifique à peu près équivalente. D'un autre côté, on sait que les matériaux composites à base de fibres de carbone ou d'un matériau connu sous la dénomination commerciale Kevlar présentent une raideur spécifique bien meilleure que les matériaux métalliques. Ces matériaux sont avantageux, car les rayons sont plus résistants et plus légers. Dans ce but, la demande de brevet PCT publiée sous le numéro WO 91/13771 décrit un rayon avec une âme en fibres composites. Le problème de ce type de rayon est le raccordement à la jante, et au moyeu de la roue. La demande de brevet précitée propose de réaliser ces jonctions en mettant en oeuvre des noeuds réalisés à l'extrémité ou la partie centrale de l'ame du rayon, des surmoulages ou des pièces rapportées surmoulées à l'extrémité de l'âme. Or on ne sait pas réaliser un noeud ou un surmoulage qui résiste suffisamment à la traction sans se détendre un tant soit peu, ou bien au moment de la mise sous tension, ou bien au cours de l'utilisation. En outre, ces surmoulages ou noeuds sont relativement complexes à réaliser avec précision aux extrémités de l'âme. Ainsi, pour ces rayons, l'âme centrale présente des qualités très bonnes de résistance à l'étirement, mais ce sont les liaisons au moyeu et à la jante qui risquent de se détendre ou de rompre. Un but de l'invention est de proposer un rayon amélioré à base de fibre composite qui présente de très bonnes qualités d'étirement y compris au niveau des extrémités de liaison avec la jante et le moyeu. Un autre but de l'invention est de proposer un rayon qui présente des extrémités prévues pour un accrochage facile de pièces de liaison avec la jante ou le moyeu. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication du rayon qui soit simple et économique. D'autres buts et avantages de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre. Le rayon composite selon l'invention est formé par au moins un ruban de fibres enduites de résine. Il est caractérisé par le fait qu'il comprend un corps allongé prolongé à au moins une de ses extrémités par une demie boucle d'accrochage, le corps étant formé par deux brins allongés d'au moins un ruban de fibres enduites de résine, les deux brins allongés s'étendant en vis-à-vis, chaque demie boucle étant formée par deux portions d'extrémité du ou des rubans, ces portions étant repliées l'une à l'intérieur de l'autre et accolées l'une contre l'autre. Selon une caractéristique secondaire, les brins allongés du ou des rubans sont espacés l'un de l'autre. Selon une autre caractéristique secondaire de l'invention, les brins allongés sont accolés l'un contre l'autre. Selon le procédé de fabrication de l'invention, on met en forme au moins un ruban de façon à fournir deux brins droits allongés, et l'on forme au moins une demie boucle d'accrochage en repliant l'une dans l'autre les portions d'extrémité du ou des rubans, et en les accolant l'une contre l'autre. Selon un autre mode de mise en oeuvre du procédé, on met en forme au moins une nappe de façon à fournir deux portions droites allongées, et l'on forme au moins une demie boucle d'accrochage en repliant l'une dans l'autre les portions d'extrémité de la ou des nappes, et en les accolant l'une contre l'autre, puis on découpe la ou les nappes mises en forme dans le sens longitudinal défini par les portions droites de façon à former les rayons élémentaires. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description ci-dessous et aux dessins en annexe qui en font partie intégrante. La figure 1 représente un rayon selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention. La figure 2 est une vue de côté du rayon de la figure 1. La figure 3 montre en perspective une nappe dans le cadre d'un mode préférentiel de fabrication. Les figures 4 à 7 illustrent les différentes étapes de la fabrication du rayon de la figure 1. La figure 8 illustre l'étape de découpe dans le cas où les rayons sont réalisés à partir de nappes. Les figures 9 et 10 représentent des variantes de réalisation du rayon. La figure 1 représente un rayon réalisé selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention. Le rayon 1 présente une forme de courroie sans fin, avec deux brins droits et allongés 2,3 espacés l'un de l'autre. A chacune des extrémités du rayon, les brins sont réunis par des retours arrondis 4,5. Ces retours arrondis forment des demies boucles d'accrochage. Chaque extrémité du rayon est en effet prévue pour tre accrochée à la jante ou au moyeu par un élément tel qu'une goupille, un axe ou une portion d'axe qui est engagé à l'intérieur d'une demie boucle d'accrochage et qui est porté par un élément tel qu'une chape. Du fait de sa forme continue et fermée, et de son mode d'accrochage depuis l'intérieur, le rayon 1 présente des qualités mécaniques remarquables, en particulier la résistance à l'étirement. Il permet la transmission d'efforts importants sans risque de détente du rayon. Selon l'invention, les rubans présentent une âme en fibres, notamment de fibres de carbone ou d'un matériau connu sous le nom de Kevlar, ou en un mélange de fibres. Les fibres sont enduites d'une matrice de renfort. Cette matrice est une résine de type thermodurcissable telle qu'une résine de type epoxy, ou éventuellement thermoplastique. Dans le mode de réalisation illustré, le rayon est formé à partir de deux rubans 6,7 dont la longueur est légèrement supérieure à la longueur du rayon à l'état fini. Les deux brins 2 et 3 sont les portions médianes des deux rubans qui sont en vis à vis. Les demies boucles d'accrochage sont formées par les portions d'extrémité des rubans qui sont repliées l'une dans l'autre et accolées l'une contre l'autre. De ce fait, la continuité du rayon est réalisée par recouvrement mutuel et jonction étroite des portions d'extrémité des rubans. Les zones de recouvrement sont délimitées par les bouts 6a et 7a, 6b et 7b des rubans 6 et 7. Les zones de recouvrement assurent la liaison des deux rubans du rayon. Compte tenu de leur position dans des zones repliées du rayon et de leur forme, elles assurent une liaison mécanique très résistante entre les deux rubans du rayon. En outre, dans les zones d'accrochage, les extrémités du rayon sont renforcées par la superposition des couches. C'est dans ces zones que la structure du rayon est soumise aux contraintes les plus élevées. Le ruban peut tre imprégné de résine par voie humide en étant plongé dans un bac d'imprégnation avant sa mise en forme. Il peut tre également préimprégné. Les fibres peuvent également tre pultrudées, c'est-à-dire enduites d'une résine thermoplastique que l'on réchauffe dans une filière avant son utilisation. On a obtenu de bons résultats en réalisant un rayon à partir d'un ruban formé de fibres de carbone enduites d'une résine epoxy. Les dimensions du ruban étaient 5 millimètres en largeur, 1 millimètre en épaisseur, 230 millimètres en longueur et 6 millimètres en diamètre interne au niveau des demies boucles d'accrochage. Un tel rayon présentait une limite élastique supérieure à 300 daNewtons. Selon un autre essai, le rayon présentait une largeur de 3 millimètres, une épaisseur de ruban de 1 millimètre, une longueur de 230 millimètres, et un diamètre interne de 3 millimètres. Un tel rayon présentait une limite élastique supérieure à 200 daNewtons. Naturellement, ces valeurs n'ont qu'une valeur indicative. Le rayon de la figure 1 peut tre formé à partir d'un élément filiforme continu découpé en segments qui forment les rubans. Toutefois, selon un mode préférentiel de réalisation des rayons, au lieu de mettre en forme des rubans, on met en forme des nappes de fibres enduites de résine, et l'on découpe ensuite ces nappes mises en forme après durcissement de la résine. Une nappe 10 est représentée à titre d'exemple en figure 3. La nappe 10 présente dans le sens transversal de la figure 3 une dimension qui correspond à la longueur d'un ruban nécessaire pour réaliser les rayons, compte tenu des zones de recouvrement. Dans le sens de la profondeur, la nappe présente une dimension qui peut tre variable et qui dépend du nombre de rayons que l'on souhaite réaliser. Ainsi que cela est visible dans la figure 3, la nappe 10 présente de préférence différentes couches 10a, 10b, 10c, 10d, qui sont superposées. Le nombre de ces couches n'est pas limitatif. De façon préférentielle, les couches présentent dans le sens de la longueur des rubans une dimension décroissante. Les bouts de la nappe présentent de ce fait une épaisseur décroissante. Ainsi que cela est visible dans la figure 1, pour un rayon, l'épaisseur de matière varie de façon progressive dans les zones où les rubans se recouvrent. On évite dans la structure du ruban des sauts de contraintes dus à des variations discontinues d'épaisseur. Les figures 4 à 8 illustrent de façon schématique le procédé de fabrication de rayons tel que celui représenté en figure 1 à partir de deux nappes telles que celle représentée en figure 3. En se reportant à la figure 4, le procédé met en oeuvre un noyau 12 autour duquel les nappes inférieure et supérieure 13 et 14 seront mises en forme. Les nappes 13 et 14 sont ici représentées de façon schématique, sans faire apparaître les différentes couches. Le noyau présente en section la forme et les dimensions de l'espace intérieur d'un rayon. Dans le sens de la profondeur, le noyau présente une dimension au moins égale à la dimension des nappes 13 et 14. Le noyau est supporté par tout moyen approprié. Les figures 4 à 7 représentent le noyau en une seule pièce. Ceci n'est pas limitatif, et l'on pourrait réaliser le noyau en plusieurs morceaux, de façon à faciliter le démoulage final. Comme le représente la figure 4, les deux nappes 13 et 14 de fibres préimprégnées de résine sont présentées successivement de façon que leur portion médiane couvre chacune des grandes faces du noyau. La figure 5 montre la nappe 13 appliquée contre le noyau 12 dans sa partie médiane et mise en forme à chacune de ses portions d'extrémité. La figure 6 illustre l'application de la nappe 14 contre l'autre face du noyau, et la mise en forme de ses portions d'extrémité qui recouvrent les extrémités déjà repliées de la première nappe 13. Comme cela est schématisé en figure 7, l'ensemble formé par le noyau et les nappes est placé entre les deux parties 15 et 16 d'un moule qui assure à la fois la mise en forme finale des nappes et la cuisson de la résine. Les formes intérieures du moule et/ou du noyau tiennent compte des variations d'épaisseur de matière dans les zones de recouvrement, et des variations progressives d'épaisseur qui sont souhaitables à l'extrémité des nappes. Toutefois, compte tenu du fluage de la résine qui enrobe les fibres, les variations d'épaisseur en cause sont relativement faibles. Il faut considérer la représentation des figures comme une représentation schématique. En réalité, dans les zones de recouvrement après cuisson, il est difficile de discerner les différentes nappes ou les différents rubans, et il est également difficile de faire la distinction entre le bout d'un ruban et le brin longitudinal de l'autre ruban contre lequel il est accolé. Une fois terminée la cuisson de la résine, les nappes mises en forme sont extraites du moule, et le noyau est enlevé. Tel que cela est schématisé dans la figure 8, les nappes mises en forme sont alors découpées à la largeur d'un rayon. Selon la figure 8, la coupe est réalisée à l'aide d'une lame de scie 17. D'autres moyens peuvent également convenir, par exemple une scie à fil ou disque diamanté, un laser au C02, ou encore un jet d'eau à très haute pression. Le rayon qui vient d'etre décrit et son procédé de fabrication ne sont pas limitatifs et de nombreuses variantes sont possibles. En particulier, on pourrait prévoir d'ajouter dans les zones de recouvrement des bandes de renfort additionnelles en résine armée de fibres, de façon à augmenter l'épaisseur de ces zones de recouvrement. Comme cela a été dit plus haut, ces zones sont en effet soumises à des contraintes élevées. Selon une autre variante, au lieu d'appliquer sur le noyau deux nappes formées de différentes couches, on pourrait appliquer et mettre en forme les différentes couches alternativement sur chaque face du noyau de façon à ce que les zones de recouvrement soient formées par un empilement alternatif des portions d'extrémités appartenant aux couches appliquées sur chacune des faces du noyau. La figure 9 montre une autre variante de réalisation d'un rayon. Au lieu d'etre formé à partir de deux rubans, le rayon de la figure 10 est formé à partir d'un seul ruban 18 qui est replié sensiblement en son milieu, de façon à réaliser les deux brins droits 19 et 20 en vis à vis, et une première demie boucle d'accrochage 21. Les portions d'extrémité du ruban sont ensuite repliées et appliquées l'une sur l'autre de façon à se recouvrir mutuellement en formant la seconde demie boucle d'accrochage 22. Pour ce mode de réalisation, le rayon ne présente qu'une seule zone de recouvrement délimitée par les bouts 18a, 18b du mme ruban 18. Dans le mode de réalisation illustré, la demie boucle 21 est renforcée par une bande de renfort 23. Ainsi, les deux demies boucles présentent une structure de nature équivalente. Comme cela a été décrit précédemment, d'autres bandes de renfort pourraient tre ajoutées en surépaisseur pour renforcer les demies boucles 22 et 23. La figure 10 représente un autre mode de réalisation d'un rayon. Le rayon présente une forme dite à oeillets. C'est-à- dire que les deux brins longitudinaux 27,28 en vis à vis des deux rubans 25,26 sont accolés l'un contre l'autre le long de la partie médiane du rayon qui forme le corps. Aux extrémités le rayon a la forme d'un oeillet, respectivement 29,30 dont les dimensions internes sont prévues pour recevoir un moyen d'accrochage tel qu'une goupille ou un axe. Pour chacun des oeillets, la partie extrme du ruban qui est repliée à l'intérieur de l'autre est pincée entre son propre brin longitudinal et le brin longitudinal de l'autre ruban. Naturellement la présente description n'est donnée qu'à titre indicatif, et l'on pourrait adopter d'autres variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre de celle-ci. En particulier, il va de soi que l'on pourrait combiner entre elles les caractéristiques des différents modes de réalisation qui ont été décrits ci-dessus. L'invention s'applique également à des rayons qui auraient une demie boucle d'accrochage à une extrémité, et un autre moyen d'accrochage à l'autre extrémité. REVENDICATIONS 1-Rayon composite pour une roue de bicyclette formé par au moins un ruban de fibres enduites de résine, caractérisé par le fait qu'il comprend un corps allongé prolongé à au moins une de ses extrémités par une demie boucle d'accrochage (4,5,22,29, 30), le corps étant formé par deux brins allongés (2,3,19, 20,27,28) d'au moins un ruban (6,7,18,25,26) de fibres enduites de résine, les deux brins allongés s'étendant en visà-vis, chaque demie boucle d'accrochage (4,5,22,29,30) étant formée par deux portions d'extrémité du ou des rubans, ces portions étant repliées l'une à l'intérieur de l'autre et accolées l'une contre l'autre. 2-Rayon selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les brins allongés (2,3,19,20) du ou des rubans sont espacés l'un de l'autre. 3-Rayon selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les brins allongés (27,28) du ou des rubans sont accolés l'un contre l'autre. 4-Rayon selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le rayon est formé à partir de deux rubans (6,7,25,26) dont les portions médianes respectives forment les brins droits et allongés. 5-Rayon selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le rayon est formé à partir d'un ruban unique (18) replié sensiblement en son milieu de façon à former une première demie boucle d'accrochage (21), dont les portions d'extrémités sont repliées l'une dans l'autre et accolées l'une contre l'autre. 6-Rayon selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les demies boucles d'accrochage sont renforcées par des bandes de renfort. 7-Procédé de fabrication d'un rayon composite pour une roue de bicyclette formé par au moins un ruban de fibres enduites de résine, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes de : -mise en forme d'au moins un ruban de façon à fournir deux brins droits allongés (2,3,19,20,27,28), -et mise en forme d'au moins une demie boucle d'accrochage (4,5,22,29,30) en repliant l'une dans l'autre les portions d'extrémité du ou des rubans, et en les accolant l'une contre l'autre. 8-Procédé de fabrication d'un rayon composite pour une roue de bicyclette formé par au moins un ruban de fibres enduites de résine, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes de : -mise en forme d'au moins une nappe (13,14) de façon à fournir deux portions droites allongées, -mise en forme d'au moins une demie boucle d'accrochage en repliant l'une dans l'autre les portions d'extrémité de la ou des nappes (13,14), et en les accolant l'une contre l'autre -découpe des nappes mises en forme à la largeur d'un rayon élémentaire.