Brevet FR2887182A1 — publié le 20061222

Rayon pour une roue à rayons en traction et roue à rayons en traction L'invention concerne un rayon pour une roue à rayons en traction. L'invention concerne également une roue à rayons en traction. De façon connue une roue comprend une jante périphérique avec un canal annulaire pour un pneumatique, un moyeu central et des rayons de liaison entre la jante et le moyeu. Pour une roue à rayons en traction les rayons sont tendus entre la jante et le moyeu, et la tension de chaque rayon est ajustée à l'aide d'un écrou ou d'une vis de serrage. Les rayons sont les éléments qui permettent de connecter le moyeu à la jante, ils jouent ainsi un rôle prépondérant dans la rigidité de la roue. Une des propriétés mécaniques principales d'un rayon est sa résistance élastique et sa rigidité en traction. Une autre caractéristique est sa résistance à la fatigue. Ensuite on peut mentionner le poids qui influe sur l'inertie de la roue, et la pénétration dans l'air. La roue d'un vélo est un élément très sollicité, c'est en effet la roue qui supporte toute la charge du vélo, c'est aussi la roue arrière qui transmet tout le couple moteur, de plus, mis à part le pneumatique, c'est l'élément rigide du vélo qui est le plus proche du sol, c'est ainsi l'élément le plus sollicité par les irrégularités du sol. A chaque tour de roue les rayons subissent un cycle de chargement comprenant des phases successives de tension, surtension et déchargement. Ces cycles de chargement sollicitent en fatigue les rayons mais aussi la jante et le moyeu auxquels les rayons sont accrochés. Pour augmenter la rigidité d'une roue, en particulier sa rigidité latérale on peut jouer sur la géométrie de la roue, et notamment augmenter l'angle de parapluie, cet angle étant défini comme l'angle entre le plan radial médian défini par la jante et l'axe d'un rayon de la nappe. Mais pour une roue arrière en particulier on est limité par la présence des pignons du côté de la roue libre. Une autre solution consiste à augmenter le nombre de rayons ou la section des rayons, mais ceci est au détriment du poids et de l'inertie de la roue. Une autre solution consiste à augmenter la rigidité intrinsèque de la matière du rayon. Cette rigidité est définie par le module d'élasticité de la matière et le module d'élasticité spécifique défini comme le rapport du module d'élasticité sur la masse volumique caractérisant ainsi la rigidité en traction ramenée divisée par la densité relative. Usuellement les rayons sont réalisés en acier inoxydable. La demande de brevet FR2767285 divulgue un rayon réalisé en alliage d'aluminium. Ce rayon présente deux têtes, une à chacune des extrémités qui sont mises en forme à l'état recuit de la matière. Ensuite le rayon subit un traitement thermique de trempe et de revenu pour améliorer sa résistance élastique et sa résistance à la fatigue. Les alliages proposés par cette demande de brevet sont des alliages légers à durcissement structural, c'est-à-dire aptes au traitement thermique, et par exemple d'un alliage d'aluminium du type 7075, ou de la série 7000, 2000 ou 6000. Egalement il est proposé par exemple un alliage 7093 avec 17% de B4C, de densité 2,7, et de module élastique 100.000 MPa (MégaPascals), ou bien un alliage 2080 avec 17% se SiC de densité 2,82 ou encore un alliage de titane par exemple un alliage Ti-6AI-4V. Les alliages d'aluminium de la série 7000 (AI/Zn), 2000 (AI/Cu), 6000 (AI/ Mg/Si) ainsi que les alliages de titane, tout comme les aciers et les alliages de magnésium ont des modules spécifiques quasiment équivalents. Par contre les alliages spéciaux notamment le 7093-17% B4C ainsi que le 2080-17% SiC ont eux des modules spécifiques très élevés mais ils sont issus de la métallurgie des poudres car les composants additifs de l'alliage sont des matériaux composites non miscibles jusqu'à cette concentration à l'état liquide avec l'aluminium. De ce fait leur coût de production est exorbitant par rapport à un alliage du type 7075. Un but de l'invention est de proposer un rayon en alliage d'aluminium ayant des propriétés mécaniques améliorées. Le rayon pour une roue à rayons selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il est réalisé en un alliage d'aluminium dont les composants sont solubles à l'état liquide dans l'aluminium, et dont le module est supérieur à 75.000 MégaPascals. La roue est caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins un rayon réalisé en un alliage d'aluminium dont les composants sont solubles à l'état liquide dans l'aluminium, et dont le module d'élasticité est supérieur à 75.000 MégaPascals. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description cidessous et aux dessins en annexe. La figure 1 montre une roue. La figure 2 représente un rayon de la roue de la figure 1. La figure 1 représente une roue 1 qui, de façon connue, présente une jante périphérique 2, un moyeu central 3 et des rayons 4 de liaison entre la jante et le moyeu. Les rayons sont répartis selon deux nappes, chacune accrochée à une extrémité du moyeu. La roue représentée est une roue arrière avec d'un côté une nappe à rayons radiaux et de l'autre une nappe à rayons tangents, mais ce n'est pas limitatif et l'invention s'applique également aux roues avant. Les rayons 4 de la roue 1 sont tendus entre le moyeu et la jante, et la tension de chaque rayon est ajustée à l'aide d'une vis creuse 5 vissée dans la jante. Tout autre dispositif d'ajustement de la tension pourrait aussi convenir. On pourrait également ajuster la tension par un dispositif situé au niveau du moyeu ou encore disposé dans la partie médiane du corps. Un rayon 4 est plus particulièrement représenté en figure 2. II est d'un type connu, par exemple il est conforme à ce qui est décrit dans la demande de brevet FR2767285. Un tel rayon comprend un corps effilé 6, deux têtes 7 et 8, chacune à une extrémité du corps, et une vis creuse 5 enfilée sur le corps et libre en rotation. Selon le mode de réalisation représenté, le corps du rayon a une section aplatie sur une grande partie de sa longueur. Ceci n'est pas limitatif pour l'invention. La structure du rayon n'est pas non plus limitative, et le rayon pourrait avoir toute autre structure appropriée. En particulier on pourrait avoir une zone filetée à une extrémité ou aux deux extrémités. Selon une particularité de l'invention le rayon 4 est réalisé en alliage d'aluminium ainsi que le propose la demande de brevet précitée. Cependant la présente invention s'est attachée à sélectionner des alliages d'aluminium particuliers dans le but d'améliorer les performances mécaniques du rayon et en particulier sa résistance à la traction. Un premier critère de sélection consiste en la solubilité ou la miscibilité des composants additifs dans l'aluminium liquide. Cette propriété est en effet 20 déterminante pour le prix de revient du rayon. Comme cela a été dit précédemment les alliages 7093-17% B4C ou 2080-17% SiC ont des très bonnes propriété mécaniques, mais ils sont issus de la métallurgie des poudres car ces matériaux sont des matériaux composites non miscibles avec l'aluminium à l'état liquide et de ce fait leur coût de production est exorbitant, à peu près cinquante fois le prix de revient d'un alliage courant. Le second critère de sélection a consisté à sélectionner des alliages dont le module élastique est supérieur à 75.000 MégaPascals. On sait en effet que sous une contrainte de traction, l'allongement d'un corps est régi par la formule suivante: AL = FL ESo où AL désigne l'allongement du corps, F la force de traction exercée, L la longueur initiale du corps, E le module d'élasticité (module d'Young) du matériau et So la surface de section du corps. Ainsi plus le module E est élevé, moins l'allongement sous une contrainte de 35 traction est important. Une première solution proposée par l'invention consiste en un alliage d'aluminium contenant du silicium. Le silicium présente en effet la particularité d'être très facilement soluble dans l'aluminium en fusion (le point eutectique se situe pour une proportion de silicium de 13% environ). La densité du silicium est égale à 2,33, elle est plus faible que celle de l'aluminium qui est égale à 2,7. En outre, c'est un composé très bon marché que l'on trouve en abondance à la surface de la terre. Le module élastique du silicium est très supérieur à celui de l'aluminium (113.000 MégaPascals pour le silicium et 70.000 MegaPascals pour l'aluminium). II est courant d'utiliser des alliages d'aluminium et de silicium en fonderie, ces alliages sont connus pour leur excellente coulabilité et leur tenue en température. Cependant un tel alliage a des caractéristiques de traction médiocre et il n'est pas apte au traitement thermique de durcissement structural. En ajoutant du cuivre et du magnésium on améliore les caractéristiques mécaniques de l'alliage qui atteignent alors un niveau suffisant pour réaliser des rayons de roue, et on rend l'alliage apte à subir un traitement thermique. Ainsi l'invention propose de sélectionner pour la fabrication d'un rayon de roue à rayons un alliage d'aluminium contenant comme composants additifs du silicium dans une proportion supérieure à 8%, du cuivre dans une proportion supérieure à 10/0 et du magnésium dans une proportion supérieure à 0,5%. Le silicium permet d'augmenter le module de l'alliage de façon significative, le cuivre et le magnésium rendent l'alliage apte à subir un traitement thermique qui améliore principalement sa résistance élastique et sa résistance à la fatigue. Pour la fabrication du rayon tout procédé approprié convient et notamment celui qui est décrit dans la demande de brevet FR2767285 déjà citée. On part d'un fil d'alliage obtenu par extrusion dont on réduit le diamètre, le cas échéant par passes successives suivies d'un recuit intermédiaire, jusqu'à obtenir le diamètre du fil souhaité. Le fil est ensuite coupé en filaments unitaires de longueur déterminée. Les filaments sont ensuite déformés pour leur donner la forme définitive du rayon. La relative malléabilité de la matière à ce stade d'élaboration du rayon facilite cette opération. Ensuite les rayons mis en forme subissent un traitement thermique dans le but d'améliorer leur résistance élastique et leur résistance à la fatigue. Par exemple les rayons subissent un traitement connu sous la dénomination "T6". Les rayons sont mis en solution à 505 degrés Celsius pendant 20 minutes au moins puis ils subissent une trempe à l'air ou à l'eau. Ensuite le rayon subit un revenu de 12 à 16 heures à 135 degrés pour aboutir à un état dit "T6". Après traitement les rayons peuvent être utilisés tels quels ou bien on peut leur faire subir une anodisation. Egalement on peut soumettre les rayons à un effort de traction contrôlée pour ajuster avec précision leur longueur et augmenter encore un peu la limite élastique. Le tableau suivant est un tableau comparatif entre les performances de différents types d'alliage, et en particulier des alliages des séries 2000, 6000 et 7000 tels que ceux suggérés par la demande de brevet FR2767285, et deux alliages de la série 4000 proposés par la présente invention, 4988 et 4032 après traitement thermique "T6". Type Composants Rm Rp E (Mpa) densité E/d 7075-T73 Zn + Cu 475 390 71500 2,8 25536 6082-T6 Mg + Si 310 260 69500 2,71 25646 2024-T6 Cu + Mg 420 290 72500 2,77 26173 4988-T6 Si + Cu + Mg 445 420 77500 2,73 28388 4032- T6 Si + Mg + Cu 380 320 79000 2,68 29478 Où Rm désigne la résistance maximale (résistance avant rupture). Rp désigne la résistance élastique. E désigne le module élastique exprimé en MégaPascal. E/d désigne le module spécifique, c'est-à-dire le module rapporté à la densité relative par rapport à l'eau, exprimé en MégaPascal. On constate d'après ce tableau une augmentation significative du module élastique qui franchit la barre de 75.000 MégaPascals pour le module élastique et qui porte le module spécifique au-delà de 27.500 MégaPascals. Une autre solution proposée par l'invention consiste à utiliser un alliage d'aluminium contenant du lithium. Le lithium a une densité très inférieure à celle de l'aluminium. La densité du lithium est en effet égale à 0,53 contre 2,7 pour l'aluminium. Il est soluble dans l'aluminium, et permet d'élaborer des alliages d'aluminium de faible densité, de haut module élastique et présentant de très bonnes propriétés mécaniques. Ainsi l'invention propose de réaliser des rayons à base d'un alliage d'aluminium contenant comme composant additif du lithium dans une proportion supérieure à 1%. Comme dans le cas précédent on ajoute du cuivre et du magnésium dans le 25 but d'améliorer les propriétés mécaniques de l'alliage et de le rendre apte à subir un traitement thermique. De préférence le cuivre est présent dans l'alliage dans une proportion comprise entre 1 et 3,5% et le magnésium une proportion entre 0,2 et 1,5%, de préférence entre 0,28 et 0,8%. Le tableau suivant permet de comparer les propriétés mécaniques d'un alliage d'aluminium de type 8090 contenant du lithium et après traitement thermique "T6" avec d'autres alliages utilisés jusqu'ici pour réaliser des rayons. Type Composants Rm Rp E (Mpa) densité E/d 7075-T73 Zn + Cu 475 390 71500 2,8 25536 6082-T6 Mg + Si 310 260 69500 2,71 25646 2024-T6 Cu + Mg 420 290 72500 2,77 26173 8090-T6 Li + Cu + Mg 470 400 79500 2,53 31423 Le tableau montre une augmentation significative du module élastique qui est supérieur à 75 000 MégaPascals. Le module spécifique est également amélioré avec une valeur supérieure à 27 500 MégaPascals. Les rayons fabriqués avec cet alliage sont réalisés selon la même succession d'opérations que celle qui a été décrite précédemment pour l'alliage au silicium. Dans le cas où le rayon est accroché à la jante ou au moyeu à l'aide d'une vis évidée, comme c'est le cas du rayon représenté en figure 2, la vis évidée est réalisée par tout moyen approprié, par exemple par frappe à froid ou décolletage dans un alliage de même nuance que l'alliage du corps de rayon, c'est-à-dire un alliage apte à subir les mêmes traitements thermiques que l'alliage du rayon. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été décrits et d'autres modes de mise en oeuvre pourraient être adoptés sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1- Rayon pour une roue à rayons en traction comprenant un corps effilé (6) avec deux extrémités et réalisé en alliage d'aluminium, caractérisé par le fait qu'il est réalisé en un alliage d'aluminium dont les composants additifs sont solubles à l'état liquide dans l'aluminium, et dont le module d'élasticité est supérieur à 75.000 MégaPascals. 2- Rayon selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les composants additifs de l'alliage sont choisis parmi le groupe comprenant le silicium et le lithium. 3- Rayon selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'alliage comprend du silicium dans une proportion supérieure à 8%. 4- Rayon selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il contient en plus du cuivre dans une proportion supérieure à 1% et du magnésium dans une proportion supérieure à 0,5%. 5- Rayon selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'alliage d'aluminium contient de lithium dans une proportion supérieure à 1%. 6- Rayon selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'alliage d'aluminium contient en plus du cuivre dans une proportion comprise entre 1 et 3,5% et du magnésium dans une proportion comprise entre 0,2 et 1,5%. 7- Roue à rayons en traction comprenant au moins un rayon réalisé en un alliage d'aluminium selon l'une quelconque des revendication précédentes.