Brevet FR2933030A1 — publié le 20100101

La présente invention concerne le domaine de la conception et de la réalisation de matériels en matériaux composites à haute performance pour la pratique sportive, et plus particulièrement pour la pratique du cyclisme. L'invention concerne plus particulièrement une nouvelle roue de bicyclette dont la jante, les rayons et les corps de moyeu sont réalisés en matériau composite, notamment en un matériau comportant des fibres de carbone. Dans le domaine du cyclisme, l'amélioration des performances des pratiquants, professionnels ou amateurs est essentiellement liée à l'amélioration technique des matériels utilisés. Cette amélioration technique des matériels dépend principalement des gains réalisés sur la masse de chaque composant des bicyclettes, leur rigidité et sur leur aérodynamisme. Pour ce qui concerne les roues de bicyclettes les principaux critères de performance sont une grande rigidité, une faible masse et une faible inertie en rotation. Les paramètres de rigidité et de masse ont depuis de longues années été améliorés par l'utilisation de matériaux composites à base de fibres de carbone notamment pour la réalisation des jantes et des moyeux de roues. Jusqu'à récemment encore, les rayons de roues étaient quant à eux toujours réalisés en métal. Pour augmenter la rigidité des roues équipées de tels rayons, ces derniers sont très souvent précontraints en tension, les tensions de précontraintes pouvant atteindre 180 kilogrammes. Cependant, l'application de telles contraintes sur les rayons exige alors un renforcement de épaisseurs de matière sur la bordure de jante au niveau de laquelle les rayons sont fixés, ce qui nuit aux objectifs de réduction de la masse de la jante, et donc de la roue. Depuis peu, un certain nombre de fabricants de matériels de cyclisme a développé des roues avec des jantes en matériau composite associées à des rayons également en matériau composite qui, avec des tensions de rayons beaucoup plus basses permettent d'obtenir des roues très rigides. La baisse des tensions de rayons est intéressante car le dimensionnement de la jante et du moyeu, notamment au niveau des épaisseurs de matières peut être réduit, ce qui permet d'abaisser le poids de la roue et d'obtenir un gain d'inertie en rotation considérable. Il existe actuellement deux principales méthodes pour assembler des rayons en matériau composite à une jante et un moyeu également constitué 5 d'un même matériau, composite ou en métal : - le surmoulage, le co-moulage ou le collage des rayons dans la jante et le moyeu - la fixation des rayons fabriqués individuellement sur la jante et le moyeu avec des pièces mécaniques métalliques (tête de butée, éléments 10 filetés). La technique de surmoulage, de co-moulage ou de collage est intéressante car elle permet d'obtenir une liaison mécanique légère, rigide et résistante des rayons sur la jante et le moyeu de roue. En revanche la mise en oeuvre de cette technique peut être délicate et les réglages de voile et de 15 saut de la roue complètement assemblée ne sont pas possibles. La technique de fixation des rayons en matériau composite avec des pièces mécaniques métalliques permet d'obtenir une attache démontable et réglable mais le poids total de la roue obtenue est plus conséquent. De plus, des problèmes mécaniques de fatigue ou de dilatation différentielle peuvent 20 intervenir dans le temps au niveau de la liaison métal / matériau composite. Avec ces deux méthodes, chaque rayon est indépendant ou alors continu avec un autre. La présente invention a pour but de proposer un nouveau type de roue de cycle comprenant une jante, un moyeu et des rayons en matériau 25 composite, notamment à base de fibres de carbone, dont la masse, la rigidité et l'inertie en rotation soient optimisées et dont la fabrication soit simple, rapide et fiable. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication d'une roue de cycle constituée uniquement d'éléments en matériau 30 composite, notamment à base de fibres de carbone, qui ne présente pas les limites des techniques de fabrication de roues à rayons composites connues à ce jour. Ce procédé pourra aussi s'appliquer à une jante métallique et un moyeu métallique. Ainsi, selon un premier objet, la présente invention propose une roue, en particulier pour un cycle, comportant une jante circulaire, un moyeu central à la jante, et des rayons reliant ledit moyeu à ladite jante, et caractérisée en ce que les rayons sont formés par au moins une corde de matériau composite polymérisé, la corde étant lacée entre le moyeu et la jante. La roue de la présente invention présente l'avantage de présenter des rayons de matériau composite obtenus non pas par co- ou surmoulage avec la jante et le moyeu ni par assemblage mécanique mais uniquement par laçage d'au moins une corde de matériau composite passée et tirée entre la jante et le moyeu de la roue déjà fabriqués et mis en en forme, puis rigidifiée par polymérisation en étuve. Une telle roue présente une grande facilité de production tout en présentant, après polymérisation de la corde lacée formant les rayons de la roue, une très grande rigidité et inertie en rotation ainsi qu'une masse très faible. Conformément à une première caractéristique préférée de l'invention, la jante et le moyeu de la roue sont constitués d'un matériau composite comportant des nappes de fibres de carbone imprégnées de résine époxy. Toutefois, pour des matériels moins performants, ces pièces peuvent aussi être réalisées en métal. Conformément à une autre caractéristique préférée de l'invention, la corde de matériau composite comporte une âme constituée d'un faisceau de fibres de carbone unidirectionnelles imprégnées de résine époxy. De préférence, afin de conserver une bonne stabilité géométrique et une bonne cohésion fibres/résine après polymérisation, la corde composite formant les rayons comporte une tresse de fibres synthétiques, notamment de polyester, enveloppant et serrant l'âme de fibres de carbone. La corde présente ainsi de préférence une section circulaire quel que soit sont état polymérisé ou non. Toujours selon l'invention, la corde composite est lacée entre la jante et le moyeu de roue autour de renvois localisés dans la jante et le moyeu. De façon avantageuse, les renvois de jantes comportent un insert surmoulé dans la jante et comportant une gorge circulaire débouchante en deux ouvertures pour le passage de la corde dans la jante. Toutefois, un autre système de renvoi d'angle peut être imaginé, notamment avec des jantes métalliques. De façon avantageuse encore, le moyeu comporte deux flasques latéraux dans lesquels sont formées des gorges débouchant chacune en périphérie des flasques selon deux directions sécantes, lesdites gorges formant les renvois de moyeu pour la corde composite. Toujours selon l'invention, la roue comporte deux nappes de rayons continus formés d'une corde de matériau composite polymérisé et symétriques l'une de l'autre par rapport au plan de joint de la roue, c'est-à- dire le plan de symétrie de la roue perpendiculaire à l'axe du moyeu. Une telle structure procure équilibre et rigidité à la roue, et participe à la bonne inertie en rotation de la roue. Par ailleurs, conformément à une autre caractéristique avantageuse permettant d'obtenir la rigidité la plus importante de la roue, les rayons sont au sein d'une nappe appairés et couplés par paire avec les rayons de la seconde nappe dans la jante et sur les flasques du moyeu de part et d'autre du plan de joint de la roue. Selon un second objet, l'invention propose également un procédé de fabrication d'une roue telle que présentée ci-dessus, ce procédé consistant 25 essentiellement dans les étapes suivantes : a) installation d'une jante et d'un moyeu de roue sur un gabarit, b) laçage d'au moins une corde de matériau composite entre la jante et le moyeu autour de renvois procurés dans la jante et le moyeu pour former les rayons de la roue, 30 c) polymérisation de la corde de matériau composite par étuvage pour rigidifier les rayons formés entre la jante et le moyeu lors de l'étape de laçage de la corde. Le procédé de fabrication de l'invention apparaît ainsi comme particulièrement simple et rapide, notamment en comparaison des procédés de fabrication de roues composites par co-moulage ou surmoulage, dans la mesure où il suffit d'assembler par laçage de la corde composite entre un moyeu et une jante préalablement réalisés puis de solidariser l'ensemble en étuve pour obtenir la roue finie. Bien entendu, il est souhaitable, pour obtenir les meilleures performances de roue que la jante et le moyeu soient eux aussi constitués d'un matériau composite. Néanmoins, ces composants peuvent être aussi réalisés en métal. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. Sur les figures : - la figure 1 représente en perspective une roue conforme à la présente invention ; - la figure 2 représente un détail de la roue de la figure 1, montrant le passage des rayons lacés de la roue au niveau de la jante de la roue, - la figure 3 représente la roue de la figure 1 vue de face, - la figure 4 représente une vue en coupe verticale selon le plan IV-IV de la figure 3, - la figure 5 représente un détail de la figure 4 montrant le passage des rayons lacés de la roue à l'intérieur d'un insert procuré dans la jante de la roue, - la figure 6 représente un détail de la figure 4 montrant en coupe le moyeu de la roue et le mode de passage des rayons lacés dans les flasques de moyeu. La figure 1 représente une roue 1 de cycle conforme à la présente invention dans une forme préférée de réalisation. Elle comporte de façon classique une jante 2 profilée destinée à supporter sur sa périphérie un boyau ou un pneumatique de roulement (non représenté), un moyeu 3 disposé de façon centrale à la jante 2 et qui est destiné à permettre la fixation et la rotation de la roue 1 sur une fourche de vélo et des rayons 4 reliant le profil interne de la jante 2 au moyeu 3. Comme représenté sur la figure 5, la jante 2 est constituée de préférence, de façon connue en soi, d'une âme de mousse structurale 21 revêtue d'un enveloppe de matériau composite 22 composé de nappes de fibres de carbone imprégnées de résine époxy. Le moyeu 3 quant à lui, comme représenté sur la figure 6, comporte un axe central 31, traditionnellement constitué d'aluminium aux extrémités duquel sont montés deux roulements à billes 32, 33 bloqués en translation sur l'axe 31 par une entretoise 34 vers le milieu dudit axe 31 et par des paliers de montage 35 coaxiaux de l'axe 31 vers les extrémités dudit axe 31. Les roulements 32, 33 et les paliers d'extrémités 35 sont bloqués l'un contre l'autre par une bague 36 à chaque extrémité de l'axe 31 et l'ensemble est enfermé dans une enveloppe 37 formée de nappes de fibres de carbones préimprégnées de résine époxy et qui confère au moyeu une extrême rigidité et résistance, notamment en torsion, flambement et cisaillement. La roue 1 représentée est une roue avant de vélo. Toutefois, il convient de noter ici qu'une roue arrière serait parfaitement identique dans sa forme exceptée au niveau du moyeu 3, qui comporterait alors un corps de cassette coaxial à l'axe 31 du moyeu pour supporter les pignons de chaîne permettant l'entraînement du vélo. De façon originale et caractéristique de la roue 1 de l'invention, les rayons 4 de la roue 1 sont formés d'une corde 5 de matériau composite polymérisable lacée sans discontinuités autour de renvois 7, 10 localisés sur le moyeu 3 et dans la bordure interne de la jante 2 (voir figure 5). La corde 5 lacée entre jante 2 et moyeu 3 est de préférence constituée d'une âme centrale formée d'un faisceau de fibres de carbone unidirectionnelles préimprégnées de résine époxy et enveloppées et compactées dans une tresse de fibres polyester. Cette corde 5 présente avant polymérisation de la résine époxy imprégnant les fibres de carbone une souplesse permettant sa manipulation et son laçage manuel entre le moyeu 3 et la jante 2 de la roue 1. Une fois la résine polymérisée après laçage de la corde 5, cette dernière est entièrement rigide et résistante, tout particulièrement aux efforts de traction subis entre la jante 2 et le moyeu 3. La tresse polyester de la corde 5 présente l'avantage de conférer à celle-ci une bonne stabilité géométrique et lui permet de conserver une section circulaire quel que soit l'état de polymérisation de la résine imprégnant les fibres de carbones. De plus, la tresse permet avec la compression obtenue au moment du filage d'avoir un composite d'âme saint (aucune porosité). Cette compression autorise aussi la conservation de la section ronde dans une limite de courbure donnée. Le polyester constituant la tresse de la corde 5 à la propriété d'être facilement assemblable par collage ; la tresse est donc parfaitement liée à l'âme composite de fibres de carbone imprégnées et à la colle de liaison lors de la polymérisation des fibres de carbones pour rigidifier les rayons 4 de la roue après laçage. Dans l'exemple de réalisation particulier représenté sur les figures, la roue 1 comporte deux nappes de rayons 4 formés par une corde 5 telle que décrite précédemment lacées sans discontinuités entre la jante 2 et le moyeu 3. Les deux nappes de rayons 4 sont en outre symétriques par rapport au plan de joint de la roue 1, c'est-à-dire le plan de symétrie de la roue perpendiculaire à l'axe 31 du moyeu 3. Afin de permettre le laçage des cordes 5 pour former les deux nappes de rayons 4 de part et d'autre du plan de joint de la roue 1, la jante 2 et le moyeu 3 comportent des renvois 7, 10 permettant le passage et le tirage de la corde 5 entre jante et moyeu. Au niveau de la jante, les renvois sont formés par six inserts 10 en matière plastique, notamment en polyuréthane, surmoulés dans la jante 2 au moment de sa fabrication. Ces inserts 10 sont maintenus dans la mousse structurale 21 de la jante et figés par plusieurs plis de composites 22 qui les maintiendront lorsque les rayons 4 de la roue 1 travailleront en traction. Comme représenté sur la figure 5, les inserts 10 sont pourvus de deux gorges circulaires 11 communiquant entre elles. Ces deux gorges 11 sont adaptées pour le passage des cordes 5 formant les deux nappes de rayons 4 et permettent un ancrage de chacun desdits rayons définis par la corde 5 dans la jante sans discontinuités. Comme cela ressort notamment de la figure 2, chaque gorge 11 est débouchante par deux ouvertures 6 dans la bordure intérieure de la jante 2. Ces ouvertures 6 permettent ainsi une introduction est une sortie aisée de la corde 5 de réalisation des nappes de rayons 4 à l'intérieur de la jante 2. L'ancrage des rayons 4 dans la jante 2 est, comme on l'a vu précédemment, réalisé par l'intermédiaire d'inserts 10 en matière plastique. Ces inserts 10 doivent être facilement assemblés dans la jante 2 et résistants à la compression. Les gorges 11 formées à l'intérieur des inserts 10 pour le passage de la corde 5 dans la jante sont de préférence conçues de sorte que le rayon de courbure de la corde 5 au niveau de l'insert 10 entre les deux ouvertures débouchantes 6 de celui-ci dans la jante 2 soit proche de 5mm. Un tel rayon de courbure est particulièrement avantageux pour que les fibres de carbone de la corde 5 travaillent mécaniquement correctement. Par ailleurs, comme cela ressort des figures 2 et 5, un canal central 12 est également prévu dans les inserts 10 pour permettre l'injection d'une colle qui liera complètement les cordes 5 de chaque nappe de rayons 4 aux inserts 10 et donc à la jante 2. Au niveau du moyeu 3, les renvois 7 de la corde 5 sont également formés, comme cela ressort des figures 1, 3 et 6, par des gorges 8 réalisées sur la surface externes de deux flasques 9 en matériau composite à base de fibres de carbone imprégnées de résine époxy. Ces flasques 9 sont solidaire de l'enveloppe 37 du moyeu 3, et peuvent le cas échéant être formées d'un seul tenant avec cette enveloppe 37 ou rapportée sur celle-ci. Les gorges 8 sont destinées à accueillir la corde 5 formant les rayons 4 de la roue et permettre ainsi un ancrage des rayons 4 sur le moyeu 3. Chaque flasque 9 du moyeu 3 reprend au niveau des gorges 7 de renvois de la corde 5 les angles de direction des rayons 4 formés par la corde 5 pour que ceux-ci travaillent le mieux possible en traction. Chaque rayon 4 est ainsi positionné tangent à un cercle ayant son centre sur l'axe de la roue, matérialisé par l'axe 31 du moyeu. La transmission du couple du moyeu 3 à la jante 2 est donc optimale, les rayons 4 travaillant seulement en traction et pas en flexion. Le rayon de courbure de la corde 5 dans chacune des gorges 7 est proche de 5mm pour que les fibres de carbones composant l'âme de la corde travaillent mécaniquement correctement. Les gorges 7 accueillant la corde 5 sur chacun des flasques 9 ont des dépouilles assurant une bonne immobilité de la corde 5 et donc des rayons 4. Un collage et un recouvrement par un autre flasque peuvent autoriser une liaison encastrement encore plus robuste de la corde 5 et donc des rayons 4 au niveau du moyeu 3. Pour obtenir une rigidité la plus grande possible de la roue 1, les rayons 4, au nombre de vingt quatre dans l'exemple présenté, sont de préférence couplés paire par paire : quatre rayons 4 (deux de chaque nappe symétrique) sont donc ancrés dans une même localité de la jante 2, c'est-à-dire sur un même insert 10, puis attachés symétriquement sur chacun des flasques 9 du moyeu 3 dans une des six gorges 7 formés dans ces flasques 9. Par ailleurs, de façon préférée, un angle de parapluie le plus grand possible est conservé pour favoriser ce critère. En effet, lorsqu'on applique un effort latéral sur la jante 2, certains rayons 4 travaillent en traction et en flexion. Plus les rayons 4 se trouvent parallèle à l'effort extérieur, moins ils travaillent en flexion et plus ils résistent en traction ce qui améliore la rigidité de la roue. C'est la raison pour laquelle dans la roue 1 de l'invention les flasques 9 du moyeu 3 présentent avantageusement un diamètre important, en pratique de l'ordre de 10 à 20 cm. La roue 1 de l'invention s'avère particulièrement simple à réaliser, conformément au procédé décrit ci-après, qui a été conçu par les inventeurs pour être le plus simple possible en terme de nombre d'opérations et de facilité de mise en oeuvre (moulage des pièces en composite). L'utilisation de pièces métalliques a été évitée au maximum. Ce procédé prévoit l'assemblage sur un gabarit de la jante 2, du moyeu 3 et des rayons 4 de la roue 1 par laçage de deux cordes 5 entre ladite jante et ledit moyeu 3 pour réaliser deux nappes symétriques de rayons 4 appairés. Ce laçage est effectué manuellement par un opérateur, qui après avoir ancré par un moyen de son choix une première extrémité d'une corde 5 à l'état non polymérisé, réalise le laçage par passage de la corde 5 autour des renvois 7 des flasques 9 puis dans les gorges 11 des inserts 10 à l'intérieur de la jante 2 et ainsi de suite jusqu'à avoir formé une nappe de six paires de rayons 4 de chaque côté du plan de joint de la roue 1. Une fois les deux nappes terminées la seconde extrémité des cordes 5 est elle aussi ancrée par tout moyen sur un flasque 9, et l'on injecte une colle époxy dans les orifices 12 des inserts 10 pour combler les gorges 11 dans lesquels les cordes 5 sont passées. On procède ensuite à l'étuvage de l'ensemble ainsi formé à 120 °C environ pour réaliser la polymérisation des fibres de carbones imprégnés des cordes 5 afin de rigidifier les rayons 4 et de solidifier l'ancrage desdits rayons 4 au niveau des inserts 10 dans la jante 2 par polymérisation de la colle époxy préalablement injectée par les orifices 12 des inserts. L'assemblage de ces trois composants principaux de la roue 1 sur un gabarit permet d'assurer le centrage axial et médian de la jante 2 par rapport au moyeu 3. De plus, ce gabarit permet une immobilisation parfaite pendant toute la durée de polymérisation de la résine des cordes composite 5. Au moment du laçage, une tension minimum est appliquée sur chacune des cordes pour que les rayons 4 formés par ce laçage soient les plus droits possibles. Le procédé de fabrication de roue de l'invention permet d'obtenir une paire de roues 1 inférieure à 1000g, pour des jantes 2 d'une hauteur de 45 mm. Ceci représente un gain moyen de 350g sur la paire de roues par rapport à des roues équipées de jantes identiques rayonnées avec des rayons en acier inoxydable. De plus, toujours par rapport à des roues équipées de jantes et moyeux identiques mais rayonnées avec des rayons métalliques, le gain en rigidité latérale obtenu sur les roues 1 de l'invention est d'au moins 25% et le gain en inertie en rotation d'au moins 8%. REVENDICATIONS1 - Roue (1), en particulier pour un cycle, comportant une jante circulaire (2), un moyeu (3) central à la jante, et des rayons (4) reliant ledit moyeu (3) à ladite jante (2), et caractérisée en ce que les rayons (4) sont formés par au moins une corde (5) de matériau composite polymérisé, la corde étant lacée entre le moyeu (3) et la jante (2). 2 - Roue selon la revendication 1, caractérisée en ce que la jante (2) et le moyeu (3) comporte des renvois (7, 10) de la corde (5) permettant un laçage continu sans discontinuités de la corde (5) entre la jante et le moyeu pour former les rayons (4). 3 - Roue selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la corde (5) de matériau composite comporte une âme constituée d'un faisceau de fibres de carbone unidirectionnelles imprégnées de résine époxy. 4 - Roue selon la revendication 3, caractérisée en ce que la corde (5) de matériau composite formant les rayons comporte une tresse de fibres synthétiques, notamment de polyester, enveloppant l'âme de fibres de carbone. 5 - Roue selon la revendication 4, caractérisée en ce que la corde (5) 20 présente une section circulaire. 6 - Roue selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la jante (2) et le moyeu (3) de la roue sont constitués d'un matériau composite comportant des nappes de fibres de carbone imprégnées de résine époxy. 7 - Roue selon la revendication 6, caractérisée en ce que les renvois 25 localisés dans la jante comportent un insert (10) surmoulé dans la jante et comportant au moins une gorge circulaire (11) débouchant en deux ouvertures (6) permettant l'insertion puis le retour de la corde (5) dans la jante. 8 - Roue selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que le moyeu 30 comporte deux flasques latéraux (9) comportant des gorges (8) débouchant chacune en périphérie des flasques selon deux directions sécantes, lesdites gorges (8) formant les renvois (7) de la corde composite dans le moyeu. 12 9 - Roue selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte deux nappes de rayons (4) formés par une corde (5) de matériau composite polymérisé et symétriques l'une de l'autre par rapport au plan de joint de la roue. 10 - Roue selon la revendication 9, caractérisée en ce que les rayons (4) sont au sein d'une nappe appairés et couplés par paire avec les rayons de la seconde nappe dans la jante (2) et sur les flasques (9) du moyeu de part et d'autre du plan de joint de la roue. 11 - Procédé de réalisation d'une roue (1) conforme à l'une des revendications 1 à 10, comportant les étapes suivantes : a) installation d'une jante (2) et d'un moyeu (3) de roue sur un gabarit, b) laçage d'au moins une corde (5) de matériau composite à l'état non polymérisé entre la jante et le moyeu autour de renvois (7, 10) procurés dans la jante et le moyeu pour former les rayons (4) de la roue, c) polymérisation de la corde (5) de matériau composite par étuvage pour rigidifier les rayons (4) formés entre la jante (2) et le moyeu (3) lors de l'étape de laçage de la corde. 12 - Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le laçage de la corde (5) entre la jante (2) et le moyeu (3) est réalisé manuellement. 13 - Procédé selon l'une des revendications 11 ou 12, dans lequel on réalise deux nappes de six paires de rayons (4) symétriques l'une de l'autre par rapport au plan de joint de la roue (1), lesdites nappes étant réalisées par laçage d'au moins deux cordes (5) de matériau composite entre la jante (2) et le moyeu (3). 14 - Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, dans lequel on injecte avant polymérisation de la corde (5) à l'étape c) une colle, de préférence une colle époxy, au niveau des renvois (10) localisés dans la jante (2).30