Brevet FR2915710A1 — publié le 20081107

RAYON EN METAL ET MATIERE COMPOSITE POUR UNE ROUE À RAYONS L'invention concerne un rayon en métal et matière composite pour une roue à rayons et son procédé de fabrication. Elle concerne également une roue comprenant au moins un tel rayon. Un rayon pour une roue à rayons est connu de la demande de brevet française 06/10679. Un tel rayon dispose d'une âme et de deux embouts monoblocs réalisés à partir d'un fil en aluminium. L'âme de ce rayon est recouverte d'un fourreau formé par des fibres de carbone enrobées de résine durcie par polymérisation. Ce rayon a l'avantage d'être très léger, grâce à son âme en aluminium. Néanmoins, malgré l'utilisation de matériau composite ce rayon n'est pas forcément adapté à des applications demandant une rigidité très élevée car le module d'élasticité et donc la rigidité de l'aluminium est uniquement de l'ordre de 71 000 MPa. De plus ce type de rayon impose des attaches spécifiques et assez volumineuses à la jante et au moyeu, et ces attaches ne sont pas adaptables à tout type de jante / moyeu. Par ailleurs le rayon composite avec âme aluminium obtenu a une très grande section, que l'on peut souhaiter réduire pour des raisons aérodynamiques. Un but de l'invention est de fournir un rayon amélioré, qui soit notamment très rigide en traction et résistant à la fatigue et qui soit compatible avec la majeure partie des roues existantes sur le marché. Un autre but est que ce rayon présente une masse plus faible par rapport aux rayons existants. Un autre but est que le rayon ait une section transversale moins grande que 25 celle de rayons aluminium connus. Ce but ou ces buts sont atteints selon l'invention, par un rayon pour une roue à rayons comprenant un embout à chacune de ses deux extrémités, une âme reliant les embouts l'un à l'autre, et un fourreau réalisé dans une matière composite recouvrant au moins en partie l'ensemble formé par les embouts et l'âme, l'âme 30 étant une bande de clinquant en métal ayant un module de Young supérieur ou égal à 100 000 MPa, ladite bande étant insérée entre les deux embouts et fixée à ceux-ci. En réalisant l'âme sous forme d'une bande de clinquant, il devient possible de réaliser une âme en métal très rigide, c'est-à-dire en métal qui a un module de Young supérieur ou égal à 100 000 MPa. On obtient ainsi un rayon avec une âme 35 très rigide qui trouve une application particulièrement avantageusement pour des roues nécessitant une grande raideur. Un métal de grande rigidité comme l'acier, l'acier inoxydable ou le titane se met facilement sous la forme d'un clinquant, c'est-à-dire d'une feuille de métal très mince, par des procédés connus en soi. Il suffit ensuite de découper une bande de cette feuille de métal, c'est-à-dire un morceau long et étroit qui pourra alors être utilisé pour former l'âme du rayon. Par ailleurs l'utilisation d'un clinquant en matériau ayant de bonnes caractéristiques de rigidité permet de diminuer sensiblement la section de rayon global, notamment par rapport à un rayon à âme en aluminium. Dans le contexte de l'invention, un embout est une extrémité de rayon servant à relier celui-ci à la jante ou au moyeu d'une roue à rayons. L'embout pourrait donc aussi être appelé "extrémité d'accrochage". L'âme du rayon pourrait aussi être qualifiée de centre de la partie centrale ou médiane du rayon. Le fourreau ou gaine est l'enveloppe externe du rayon qui s'étend sur la plus 10 grande partie de sa longueur. Le fourreau est réalisé dans une matière ou un matériau composite, c'est-à-dire un assemblage d'au moins deux matériaux non miscibles. De préférence, le fourreau est formé de fibres de carbone noyées dans une matrice de résine. Dans un mode de réalisation particulier, les extrémités de l'âme sont agencées 15 avec des entailles aménagées dans les embouts. La réalisation d'entailles dans les embouts augmente la surface de contact entre les embouts et l'âme dans la zone de fixation. Grâce à une telle surface de contact élargi, la fixation est plus résistante. Selon un exemple de réalisation, la fixation entre chaque embout et l'âme est constituée d'une soudure. La fixation entre chaque embout et l'âme peut aussi être 20 constituée d'une fixation mécanique, telle qu'une fixation à base de crochets. Le métal utilisé pour l'âme peut être un métal écroui. Un tel écrouissage améliore les caractéristiques mécaniques du métal et donc de l'âme. Les métaux préférés selon l'invention pour la réalisation de l'âme sont l'acier, l'acier inoxydable ou le titane. 25 Afin de limiter le poids du rayon selon l'invention, l'épaisseur de l'âme, c'est-à-dire de la bande de clinquant, est inférieure ou égale à 0,5 mm. Avec une bande d'épaisseur inférieure ou égale à 0,5 mm on obtient une section de l'âme très mince. En effet, il est avantageux de minimiser l'épaisseur de l'âme, pour minimiser le poids. Dans ce contexte, l'épaisseur de la bande est la dimension la plus petite de la 30 bande dans une direction transversale à l'axe longitudinal de la bande. Selon un exemple de réalisation, le fourreau selon l'invention recouvre l'âme, les zones de fixation entre l'âme et chacun des embouts et une partie des embouts. Cela permet d'améliorer la tenue à l'allongement de la partie centrale constituée par l'âme en métal et le fourreau en matière composite. De façon avantageuse, le 35 fourreau recouvre au moins 10 mm de longueur pour chacun des embouts afin d'augmenter la tenue de la fixation et la résistance de la zone de transition entre les embouts et l'âme, cette zone étant un point de faiblesse du rayon. Par ailleurs, la section de l'âme est réduite d'au moins 30% par rapport à la section minimale des embouts, pour minimiser le poids. On notera qu'une telle réduction de section entre les embouts et l'âme est impossible à atteindre avec un fil retreint du fait de l'écrouissage du matériau obtenu après retreint. Par section on entend la surface de section en direction transversale par rapport à l'axe longitudinal du rayon. Le procédé de fabrication selon l'invention comprend les étapes suivantes : - réalisation de deux embouts, - découpage d'une bande dans un clinquant en métal ayant un module de Young supérieur ou égal à 100 000 MPa, -fixation de chaque embout à l'une et à l'autre des deux extrémités de la bande, et réalisation d'un fourreau en matière composite autour d'au moins une partie de l'ensemble formé par les embouts et l'âme. Avantageusement, dans le procédé selon l'invention, les embouts sont réalisés en les formant aux deux extrémités d'un segment de fil et en coupant le segment de fil en deux. Le segment de fil est de préférence en métal comme l'acier, l'acier inoxydable ou le titane. Par segment de fil on entend un morceau très fin, long et étiré. Le segment de fil a une longueur telle que, après avoir travaillé chacune de ses extrémités pour obtenir deux embouts, le segment coupé en deux, donne deux bouts qui peuvent être directement utilisés comme embouts du rayon. Alternativement, chaque embout peut aussi être réalisé séparément, chaque embout étant par exemple réalisé à partir de son propre segment de fil. Le procédé peut en outre comprendre une étape d'entaillage de chaque embout pour créer un logement pour l'âme dans chacun des deux embouts. De plus, la fixation peut s'effectuer par soudage, en particulier par soudage par étincelage ou par soudage à l'arc électrique. Dans ce cas là, on peut rajouter une étape de traitement thermique et/ou de trempe au niveau des soudures après le soudage afin de redonner des caractéristiques mécaniques aux zones soudées. Cette étape peut être réalisée soit immédiatement après soudure, soit plus tard. Finalement, la réalisation du fourreau s'effectue par enroulement d'une nappe de matière composite autour de la partie dudit ensemble ou par dépôt de bandes de matière composite sur les deux côtés de la partie dudit ensemble, suivi d'une étape de surmoulage. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description ci-dessous et aux dessins qui lui sont attachés. Les figures la à le montrent une première variante de réalisation du rayon pour roue à rayons selon l'invention, les figures la à 1c montrant le rayon sans son fourreau afin de pouvoir mieux distinguer l'âme du rayon et les figures 1 d et le montrant le rayon avec tous ses éléments, incluant le fourreau : - la figure la est une vue de dessus du rayon, 4 - la figure 1 b est une vue en coupe selon la ligne lb-lb de la figure la, - la figure l c est une vue de côté du rayon, - les figures 1d et 1 e sont des vues respectivement de côté et de dessus du rayon avec fourreau. Les figures 2a à 2c montrent une deuxième variante d'un rayon pour roue selon l'invention. Les figures 3a à 3b montrent deux exemples de fixation mécanique entre l'âme et un embout d'un rayon pour roue selon l'invention. La figure 4 montre un exemple d'un clinquant utilisé pour découper l'âme d'un rayon pour roue selon l'invention. Les figures 5a à 5c montrent un mode de fabrication de deux embouts à partir d'un segment de fil en métal selon l'invention. Les figures 6 à 8 illustrent un autre procédé de réalisation d'un rayon selon l'invention à partir d'un rayon standard représenté en figure 6. Les figures 9a et 9b sont des vues respectivement de côté et de dessus de l'extrémité d'un rayon coudé. Le rayon 2 est essentiellement constitué de quatre éléments, à savoir son âme 4, ses deux embouts 6 et 8 et son fourreau 10. L'âme 4 et le fourreau 10 forment ensemble la partie centrale ou médiane du rayon 2. Comme on peut le distinguer en particulier sur les figures la et 1 c, l'âme 4 du rayon 2 se présente sous la forme d'une bande de faible épaisseur qui est insérée entre les deux embouts 6 et 8. Les extrémités 12 et 14 de l'âme 4 sont, chacune logée dans une entaille longitudinale 16 et respectivement 18, les entailles 16 et 18 étant pratiquées respectivement dans les extrémités situées en regard de l'embout 6 et l'embout 8. Les extrémités 12 et 14 de l'âme 4 peuvent être fixées par tous moyens aux embouts 6 et 8, mais de préférence, elles sont fixées par soudage ou par accrochage mécanique. Il est aussi envisageable de réaliser l'attache entre les extrémités 12 et 14 et les embouts 6 et 8 par un collage. Dans l'exemple représenté les embouts 6 et 8 sont chacun pourvus d'un filetage pour permettre l'accroche au moyeu et à la jante d'une roue. On peut également prévoir un filetage à une extrémité et un autre moyen d'accrochage tel qu'une tête à l'autre extrémité. Les embouts 6, 8 et l'âme 4 sont réalisés en un métal de grande rigidité, par exemple de l'acier, de l'acier inoxydable ou du titane. L'âme 4 sous forme de bande mince a une section transversale 20 très réduite par rapport à la section minimale 22 des embouts 6 et 8 (cf. figure 1 b). Avantageusement, cette réduction de la section 20 de l'âme par rapport à la section minimale 22 des embouts 6 et 8 est d'au moins 30%. Elle peut même s'élever à plus de 32%, voire à au moins 35%. A cause de cette section 20 réduite, la partie en métal de la partie centrale, c'est-à-dire l'âme 4, a une épaisseur trop faible pour résister aux contraintes de rayonnage et d'utilisation de la roue. Pour cette raison on vient surmouler une matière composite sous forme de fibres de carbone noyées dans une matrice de résine au niveau de la zone de l'âme. Ce fourreau 10 en matière composite permet au rayon de résister aux contraintes de tension et augmente notablement sa raideur. Ceci permet de faire un rayon au même poids, ou même plus léger, qu'un rayon standard uniquement en métal, et plus raide. Le rayon selon les figures 1 a, par exemple, les dimensions suivantes : - l'âme 4 a une largeur I de 4,5 à 5 mm et une épaisseur e de 0,4 à 0,5 mm, - les embouts 6 et 8 ont un diamètre minimal Dm d'environ 2 mm, - les entailles 16 et 18 dans les embouts 6 et 8 ont une profondeur p d'environ 4 mm, les parties extrêmes 24 et 26 des embouts 6 et 8 portent des filetages dont le diamètre moyen est de 2,3 mm. Les figures 1 d et le montrent le rayon des figures la à 1c avec son fourreau 10 en matière composite surmoulée. Le fourreau 10 enveloppe en longueur la totalité de l'âme 4. II enveloppe aussi une partie des embouts 6 et 8. Les parties recouvertes 6a, 8a des embouts 6 et 8 ont une longueur L d'au moins 10 mm. Les figures 2a à 2c montrent un deuxième mode de réalisation du rayon pour roue selon l'invention. Le rayon 28 est montré aux figures 2a à 2c sans son fourreau. Le rayon 28 est identique au rayon 2 à l'exception de l'un de ses embouts 30. En effet, l'embout 30 ne présente pas de filetage mais est réalisé avec une tête 32 pouvant servir d'élément de retenue du rayon dans la jante ou dans le moyeu d'une roue à rayon. Les figures 3a et 3b montrent deux variantes de type d'accroche pour la fixation de l'âme 4 aux embouts 6 et 8. La figure 3a montre en détail une possibilité d'accroche mécanique entre l'âme 4 et par exemple l'embout 8, à l'aide d'un trou 34 réalisé dans l'âme 4 et d'un élément d'accroche 36 faisant partie de l'embout 8 et constitué par une déformation sensiblement en forme de coude ou de Z de l'embout 8. La figure 3b montre une autre variante d'accroche mécanique entre l'âme 4 et par exemple l'embout 8. Ici, l'embout 8 est conformé à son extrémité d'un crochet 38 pouvant être inséré dans un trou 40 associé de l'âme 4 pour solidariser l'âme 4 à l'embout 8 (on peut inverser les rôles). On va maintenant décrire le procédé de fabrication des rayons selon les figures 35 1 et 2. La première étape consiste à réaliser un segment de fil en métal tel que de l'acier inoxydable ou du titane d'un diamètre d'environ 2 mm. Un tel segment de fil 42 est montré à la figure 5a. II a par exemple une longueur d'environ 70 mm. Les extrémités de ce fil 42 sont travaillées de façon à obtenir les embouts 6 et 8 (cf. figure 5b). La réalisation des embouts 6 et 8 peut s'effectuer par frappe et/ou par la réalisation de filetages dans les extrémités du fil 42. Après la réalisation des embouts on peut éventuellement prévoir la réalisation d'un coude, s'il s'agit de fabriquer un rayon coudé. Une fois que les embouts 6 et 8 sont terminés, on coupe alors le fil 42 en son milieu pour obtenir deux embouts 6 et 8 séparés tel que montrés à la figure 5c. De façon alternative, les embouts 6 et 8 peuvent aussi être réalisés séparément à partir de deux fils de métal séparés. Les embouts 6 et 8 sont alors entaillés à leurs extrémités 44 et 46 pour obtenir les entailles 16 et 18. Il convient de noter que l'étape d'entaillage est facultative. En effet, on peut prévoir de fixer l'âme 4 par exemple par soudure aux embouts 6 et 8 sans entailles 16 et 18. Ensuite, on découpe l'âme 4 à partir d'une feuille 48 de métal très rigide, tel que l'acier ou le titane, cf. figure 4. La feuille de métal 48 est très mince et dispose d'une épaisseur qui sera celle de l'âme 4 du rayon 2, c'est-à-dire une épaisseur e de 0,4 à 0,5 mm. La découpe de l'âme 4 dans la feuille 48 peut par exemple s'effectuer par électroérosion. Après la découpe, l'âme 4 est soudée aux deux extrémités 44, 46 des embouts 6 et 8. Le soudage peut par exemple être un soudage par étincelage ou un soudage à l'arc électrique. L'insertion de l'âme 4 entre les deux embouts 6 et 8 donne au rayon 2 sa longueur finale. Après le soudage, il peut être réalisé un traitement thermique et/ou une trempe locale au niveau des soudures pour récupérer les caractéristiques mécaniques. De façon alternative, l'attache entre l'âme 4 et les embouts 6 et 8 peut 25 également être faite de manière mécanique, par exemple à l'aide des systèmes d'attache montrés aux figures 3a et 3b. L'âme 4 ayant été fixée aux embouts 6 et 8, on procède ensuite à la réalisation du fourreau 10. Pour cela, on vient enrouler une nappe 48 de matière composite, comportant de préférence des fibres unidirectionnelles dans le sens de la longueur 30 du rayon, autour de l'âme 4 et une partie des embouts 6 et 8. On peut aussi appliquer des bandes de matière composite dimensionnées de façon appropriée au-dessus et en dessous de l'ensemble formé par l'âme 4 et les embouts 6, 8. Lors du dépôt de la matière composite, il est avantageux que celle-ci remonte d'une longueur L sur une partie des embouts, cf. figures Id, 1 e, et par exemple, si ceux-ci sont 35 munis de filetages 24, 26, jusqu'au début de ces filetages. Cela améliore la tenue de l'ensemble. Le tout est ensuite mis dans un moule et cuit pour faire polymériser la résine de la matière composite. Le moule peut permettre de donner une forme aérodynamique au fourreau 10. Cette étape de surmoulage de la matière composite s'effectue comme suit. L'âme et les embouts sont placés sur une nappe 48 de fibres enduite d'une matrice de résine à l'état non polymérisée, ou non totalement polymérisée. La nature et les dimensions de la nappe sont déterminées comme pour le mode de réalisation précédent. Ensuite la nappe est roulée sur l'âme et les embouts comme une feuille de papier à cigarette sur au moins un tour. La présence de l'âme permet ici de réduire le nombre de tours et faciliter l'enroulement de la nappe de carbone. La nappe 48 couvre toute la portion de l'âme et elle remonte le long de chacun des embouts pour encastrer une partie de la longueur de ces embouts. Après cela, la nappe enroulée sur l'ébauche est placée dans un moule de cuisson pour réaliser la cuisson de la résine. De façon avantageuse, lors de la fabrication, on peut aussi réaliser des stries dans les embouts 6, 8 pour faciliter le collage et l'adhésion de la matière composite au niveau des embouts. Les stries peuvent aussi correspondre aux éventuels filets réalisés dans les embouts. On peut aussi prévoir un traitement supplémentaire tel que le zingage, le chromage (bichromation) et le zingage + fer noir. De plus, dans le procédé de fabrication et comme montré sur les figures 1d et le, le rayon est moulé sur les inserts lors de sa stratification et possède une section évolutive, c'est-à-dire évoluant de façon graduelle depuis la partie centrale 10 assez large et de faible épaisseur, jusque dans la zone d'embout de section circulaire (cf. figure lb). Les figures 6 à 8 illustrent un autre mode de réalisation de la bande de clinquant à partir d'un rayon 102 de type standard, par exemple de diamètre 2 mm, ayant une âme centrale 104 cylindrique, un premier embout fileté 106 et une tête d'accrochage 108. L'âme 104 de ce rayon est tout d'abord aplatie à l'aide d'une matrice 200, entre un bloc matrice inférieur 201 et un bloc matrice supérieur 202 comme représenté à la figure 7. Dans une dernière étape le rayon 102 est usiné, par exemple par une fraise, ou un meulage 300, comme indiqué à la figure 8, de façon que son âme centrale 104 présente l'épaisseur, et l'état de surface souhaités. Les figures 9a et 9b représentent l'application de l'invention à un rayon 2 ayant un embout 8 coudé à une extrémité. En résumé, grâce à l'idée inventive de réaliser la partie centrale du rayon à partir d'une bande de clinquant, il devient possible d'obtenir des rayons très rigides d'une grande minceur. De tels rayons sont très résistants et très rigides pour une masse faible et peuvent être adaptés à tout type de roue du fait de l'utilisation de moyen d'accrochage (embout fileté, tête, embout coudé) de type standard. REVENDICATIONS 1. Rayon (2) pour une roue à rayons caractérisé en ce qu'il comprend : -un embout (6, 8) à chacune de ses deux extrémités, - une âme (4) reliant les embouts (6, 8) l'un à l'autre, et - un fourreau (10) réalisé dans une matière composite recouvrant au moins en partie l'ensemble formé par les embouts (6, 8) et l'âme (4), l'âme (4) étant une bande de clinquant en métal ayant un module de Young supérieur ou égal à 100.000 MPa, ladite bande étant insérée entre les deux embouts (6, 8) et fixée à ceux-ci. 2. Rayon selon la revendication 1, caractérisé en ce que les extrémités de l'âme (4) sont agencées dans des entailles (16, 18) aménagées dans les embouts (6, 8). 3. Rayon selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la fixation entre chaque embout (6, 8) et l'âme (4) est constituée d'une soudure. 4. Rayon selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la fixation entre chaque embout (6, 8) et l'âme (4) est constituée d'une fixation mécanique, en particulier une fixation à base de crochet (38). 5. Rayon selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le métal est un métal écrouis. 6. Rayon selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le 25 métal est de l'acier, de l'acier inoxydable ou du titane. 7. Rayon selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la bande de clinquant est inférieure ou égale 0, 5 mm. 30 8. Rayon selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fourreau (10) recouvre l'âme (4), les zones de fixation entre l'âme (4) et chacun des embouts (6, 8) et une partie des embouts (6, 8). 9. Rayon selon la revendication 8, caractérisé en ce que le fourreau (10) 35 recouvre au moins 10 mm de longueur pour chacun des embouts (6, 8).20 10. Rayon selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section de l'âme (4) est réduite d'au moins 30% par rapport à la section minimale des embouts (6, 8). 11. Rayon selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matière composite est formée de fibres de carbone noyées dans une matrice de résine. 12. Roue à rayons comprenant au moins un rayon selon l'une des revendications précédentes. 13. Procédé de fabrication d'un rayon selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : -réalisation de deux embouts (6, 8) ; - découpage d'une bande (4) dans un clinquant en métal ayant un module de Young supérieur ou égal à 100.000 MPa ; - fixation de chaque embout (6, 8) à l'une et l'autre des deux extrémités de la bande (4) ; - réalisation d'un fourreau (10) en matière composite autour au moins une partie de l'ensemble formé par les embouts (6, 8) et la bande (4). 14. Procédé de fabrication selon la revendication 13, caractérisé en ce que les deux embouts (6, 8) sont réalisés en les formant aux deux extrémités d'un segment de fil (42) et en coupant le segment de fil (42) en deux. 15. Procédé de fabrication selon la revendication 13, caractérisé en ce que chaque embout (6, 8) est réalisé séparément. 16. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 13 à 15, avec une étape 30 d'entaillage de chaque embout (6, 8) pour créer un logement pour la bande (4) dans chacun des deux embouts (6, 8). 17. Procédé selon l'une des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que la fixation s'effectue par soudage, en particulier par soudage par étincelage ou 35 par soudage à l'arc électrique. 18. Procédé selon la revendication 17, avec une étape de traitement thermique et/ou de trempe au niveau des soudures pour redonner des caractéristiques mécaniques aux zones soudées.25 19. Procédé selon l'une des revendications 13 à 18, caractérisé en ce que la réalisation du fourreau (10) s'effectue par enroulement d'une nappe de matière composite autour de la partie dudit ensemble ou par dépôt de bandes de matière composite sur les deux côtés de la partie dudit ensemble, suivi d'une étape de surmoulage.