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Rayon en matière composite pour une roue à rayons
L'invention concerne un rayon en matière composite pour une roue à rayons en traction, ainsi qu'une roue à rayons comprenant un tel rayon, et notamment une roue dont la jante et/ou le moyeu sont réalisés également en une matière composite. De façon classique une roue à rayons en traction, en particulier une roue de vélo comprend une jante périphérique, un moyeu central, et des rayons de liaison de la jante au moyeu. Ces différents éléments sont réalisés généralement en métal ou alors en une matière composite, totalement ou en partie.
Le plus souvent une telle matière composite est composée de fibres à hautes qualités mécaniques, et notamment des fibres de carbone ou de matière équivalente qui sont noyées dans une matrice de résine. Les matières composites ont un rapport entre le module d'élasticité (traction) (E) et la densité (d) qui est très élevé. Ce rapport donne le module spécifique de la matière.
Four le carbone, E= 115.000 MPa (MégaPascals) et d=1,55 pour des fibres de carbone UD et par comparaison, pour l'acier inoxydable E= 190.000 MPa et d= 7,8 pour le titane E= 110.000 MPa et d= 4,55 pour l'aluminium E= 71.000 MPa et d= 2,8. Du fait de son module spécifique élevé, il est possible de réaliser des rayons en carbone rigides et résistants à la traction sous un volume et un poids réduit. Un rayon en fibres de carbone est également très résistant à la fatigue. De plus on peut facilement mettre en forme ces rayons dans un moule et en particulier leur donner un profil aérodynamique. C)n sait également réaliser une jante en matière composite en partant d'un noyau qu'on enveloppe avec des nappes de matière composite, ou d'une vessie gonflable, ou encore à partir de deux portions de jante assemblées entre elles. La demande de brevet EP1231077 décrit la construction d'une telle jante en matière composite.
La demande de brevet WO2000/35683 décrit quant à elle la construction d'une roue dont les rayons sont réalisés dans une matière composite. Pour réaliser l'accrochage de rayons composites à une jante, la demande de brevet EP1044827 propose de replier sur elles-mêmes les extrémités de rayon sur un noyau pour former une boucle dont on enfle la section à l'aide d'un noyau central.
Les extrémités sont accrochées soit directement par emboîtement du renflement dans un logement du moyeu soit par l'intermédiaire d'un embout auxiliaire formant chape pour l'accrochage sur la jante. La demande de brevet US6036279 divulgue une construction du même type. Les extrémités du rayon sont aplaties pour former des têtes élargies. Une des têtes en 2
forme de T est accrochée par emboîtement au moyeu, l'autre est fixée à une chape intermédiaire. Ces modes de construction donnent de bons résultats, cependant ils nécessitent l'usage d'éléments auxiliaires notamment d'éléments métalliques qui alourdissent la roue. Une autre solution consiste à construire une jante, des rayons et le cas échéant un corps de moyeu en matière composite et à assembler ces différents éléments par collage à l'aide de la résine qui forme la matrice de la matière composite, ou à l'aide d'une colle.
La demande de brevet W093/19944 décrit une construction de ce type où les rayons sont assemblés directement à la jante et à un flasque central. La roue est construite de cette façon en deux moitiés monolithiques qui sont ensuite assemblées entre elles. Pour mettre les rayons en tension et former le corps de moyeu les deux flasques centraux sont écartés l'un de l'autre et une entretoise est 1:5 mise en place pour les maintenir à l'écartement défini. La roue construite de cette façon est légère et rigide. En effet l'absence d'éléments auxiliaires d'accrochage permet un gain significatif de poids. Cependant la fixation directe du rayon à la jante prive la liaison entre ces deux éléments de tout degré de liberté qu'on avait auparavant avec une liaison par 20 emboîtement ou accrochage par chape. De plus, la jante et le rayon sont deux éléments qui sont complètement différents sur un plan géométrique. Un rayon en matière composite est peu ou pas flexible, principalement dans un plan où il présente sa plus grande dimension en section. En tout état de cause il est nettement moins flexible qu'un rayon métallique. Ainsi, on a remarqué que certains chocs 2:5 appliqués à la roue, en particulier des chocs frontaux, pouvaient fragiliser le rayon au niveau de sa liaison avec la jante et donc diminuer sa résistance à la fatigue. Un problème semblable se pose au niveau du moyeu si de la même façon le rayon en matière composite est assemblé au moyeu par encastrement total, sans degré de liberté. 30 Un but de l'invention est de proposer un rayon en matière composite qui est amélioré en ce qu'il présente une plus grande résistance à la fatigue et/ou au choc. Un autre but de l'invention est de proposer une roue comprenant une jante, un moyeu et au moins un rayon en matière composite qui est améliorée en ce que le ou les rayons en matière composite présentent une plus grande résistance à la fatigue 35 et/ou au choc. Un but de l'invention est notamment de proposer une construction de roue combinant légèreté et résistance au choc. Un autre but est d'améliorer la tenue au choc des assemblages composites avec encastrement. 3
D'autres buts et avantages apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Le rayon de roue à rayons en traction selon l'invention est en matière composite. Il comprend un corps de traction effilé, le corps ayant une portion médiane, deux extrémités, le corps étant prolongé au-delà de chaque extrémité par un segment d'accrochage, au moins un des segments d'accrochage étant un segment d'accrochage par encastrement, le corps et les segments d'accrochage étant reliés par une zone de transition, le corps ayant dans sa portion médiane une section et un périmètre défini. Le rayon présente au moins une portion de section renforcée en surface de section par rapport à la section de la portion médiane, la portion de section renforcée couvrant au moins une zone de transition entre le corps de traction et le segment d'accrochage par encastrement. La roue à rayons en traction, comprend une jante, un corps de moyeu central et au moins au moins un rayon de liaison entre la jante et le moyeu, le rayon étant réalisé est en matière composite. Le rayon comprend un corps de traction effilé, le corps ayant une portion médiane, deux extrémités, le corps étant prolongé au-delà de chaque extrémité par un segment d'accrochage, au moins un des segments d'accrochage étant un segment d'accrochage par encastrement, le corps et les segments d'accrochage étant reliés par une zone de transition, le corps ayant dans sa portion médiane une section et un périmètre défini. Le rayon de la roue présente au moins une portion de section renforcée en surface de section par rapport à la section de la portion médiane, la portion de section renforcée couvrant au moins une zone de transition entre le corps de traction et le segment d'accrochage par encastrement.
En renforçant ainsi la section du corps de rayon dans la zone de transition on augmente la résistance de la liaison d'encastrement tout en conservant un rayon à la fois léger et aérodynamique. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description ci-dessous et aux dessins en annexe qui lui sont attachés.
La figure 1 est une vue générale d'une roue à rayons en traction selon l'invention. La figure 2 montre un rayon vu selon une direction perpendiculaire à l'axe de révolution de la roue. La figure 3 montre à échelle agrandie un segment d'accrochage du rayon. 3:5 La figure 4 montre le rayon de la figure 2 assemblé d'un côté à la jante, de l'autre au corps de moyeu, ces deux éléments étant représentés en section. La figure 5 montre une section du rayon au niveau de la portion médiane du corps en section selon IV-IV de la figure 2. 4
La figure 6 montre la section du rayon au niveau d'une portion de section renforcée en section selon V-V de la figure 2. La figure 7 illustre un mode de fabrication d'un rayon. La figure 1 représente une roue 1 à rayons en traction prévue pour un vélo. Cette roue est une roue avant, mais ceci n'est pas limitatif et l'invention s'applique de la même façon à une roue arrière. La roue 1 comprend de façon classique une jante périphérique 2, un moyeu central 3 et des rayons de liaison 5 entre la jante et le moyeu. Comme d'habitude, le moyeu présente un corps de moyeu 6 auquel les rayons sont accrochés, le corps de moyeu étant mobile en rotation autour d'un arbre de liaison avec le cadre du vélo (non représenté sur le dessin). Selon le mode de réalisation illustré, les rayons 5 sont réalisés dans une matière composite, notamment formée par des fibres de carbone, d'aramide ou équivalent noyées dans une matrice de résine époxy, polyester ou de toute autre nature appropriée. De préférence, les fibres sont des fibres unidirectionnelles dirigées selon la direction longitudinale définie par le rayon. Mais ceci n'est pas limitatif, notamment on peut avoir des fibres croisées. Un rayon 5 est représenté dans la figure 2 vu dans un plan passant par l'axe de révolution de la roue. Le rayon présente un corps de traction effilé 8. Le corps 8 est la partie visible du rayon lorsque le rayon est assemblé à la jante et au moyeu. Le corps 8 est un corps de traction, c'est-à-dire qu'il est prévu pour être contraint en traction par la jante et le moyeu. Le corps 8 a une partie médiane 8a et deux extrémités 8b et 8c. Au-delà des extrémités, le corps est prolongé par des segments d'accrochage, respectivement 9 et 10. Les segments sont en continuité avec le corps, c'est-à-dire 2:5 que ce sont les mêmes fibres qui forment la matière composite du corps et des segrnents d'accrochage. Au moins un des segments d'accrochage, et les deux segrnents d'accrochage 9 et 10 pour le cas représenté sont prévus pour être encastrés respectivement dans le moyeu et la jante. C'est-à-dire qu'une fois assemblés à la jante et au moyeu ces segments ne sont plus visibles en tant que 30 tels, ils sont masqués par la jante et le moyeu. L'encastrement sera décrit plus en détail ultérieurement. La transition entre le corps 8 et les segments 9, 10 est repérée dans les figures 2 et 3 par les traits mixtes 11 et 12. Les zones de transition 11 et 12 correspondent à la frontière entre la portion visible du rayon et celle qui est masquée par la jante ou 35 le moyeu une fois le rayon assemblé à savoir la zone d'encastrement E. Dans ces zones de transition 11, 12, les segments d'accrochage 9 et 10 forment ici un coude avec le corps 8 afin d'offrir une surface de contact qui épouse la surface de contact respectivement du moyeu et de la jante. On peut voir aussi dans la figure 2 que le segment d'accrochage 10 est légèrement incurvé. Ceci a également pour but d'épouser la forme incurvée de la jante en section. Le corps 8 présente une section définie sensiblement constante dans sa portion médiane 8a et un périmètre défini sensiblement constant. Cette section peut être 5 profilée pour donner au rayon un profil aérodynamique. De façon usuelle la section du rayon présente dans un plan perpendiculaire au plan axial de la figure 2 une largeur I qui est supérieure à son épaisseur e dans le plan de la figure 2 pour avoir de bonnes propriétés d'aérodynamisme (cf. figure 5). Au niveau des segments d'accrochage 9, 10 la section du rayon peut être aplatie danse le but d'augmenter la surface de contact avec la jante ou le moyeu. On peut également rajouter dans ces zones des empiècements pour avoir une meilleure adhérence en particulier avec la jante. Les rayons 5 peuvent être des rayons individuels comme celui représenté dans la figure 2. Les rayons peuvent également être réalisés par deux, c'est-à-dire deux rayons bout à bout, dans la continuité l'un de l'autre avec dans la partie médiane de cet ensemble une zone qui forme les segments d'accrochage au moyeu des deux rayons, de façon à former un ensemble diamétral de deux rayons. Ceci est connu de l'homme du métier. Selon un mode préférentiel de mise en oeuvre de l'invention, la jante 2 et/ou le corps de moyeu 6 sont également réalisés dans une matière composite. De cette façon, l'accrochage du rayon à la jante et/ou au moyeu est réalisable par encastrement, c'est-à-dire au moyen d'une colle ou de l'une et/ou l'autre des matrices qui enrobe les fibres constituant la jante et/ou le moyeu. Un tel accrochage par encastrement supprime par nature tout degré de liberté au niveau de la liaison.
F'ar exemple comme le montre la figure 4, la jante est formée à partir d'un noyau de mousse 32 qui est enveloppé de nappes 13 et 14 de fibres enduites de résine. Le nombre et la disposition des nappes ne sont pas limitatifs. D'autres modes de construction peuvent également convenir, notamment au lieu d'un noyau en mousse on pourrait utiliser une vessie gonflable et réaliser la mise en forme de la jante dans un moule. La jante présente en section toute forme appropriée. La jante représentée est prévue pour recevoir un boyau, mais ce n'est pas limitatif, et la jante pourrait avoir en section une forme de caisson avec deux ailes qui définissent un canal de réception pour un pneu et sa chambre à air, comme cela est décrit dans la demande de brevet EP1231077 citée dans le préambule ou tout autre forme appropriée. La jante peut aussi avoir une section asymétrique. L'encastrement du segment d'accrochage 10 d'un rayon 5 sur la jante peut être réalisé par adhésion superficielle du segment d'accrochage des rayons sur la paroi intérieure ou extérieure de la jante, ou par insertion du segment d'accrochage entre 6
les nappes de la jante au moment de sa fabrication. D'autres techniques d'assemblage conviennent également. La jante et les rayons peuvent être réalisés de façon séparée, et assemblés ensuite, ou bien l'assemblage peut être réalisé avec la fabrication de l'un et/ou l'autre de ces éléments, c'est-à-dire qu'ils sont cuits ensemble. Selon le mode de réalisation illustré, le segment d'accrochage 10 est appliqué en sandwich entre deux nappes de la jante et donc contre la paroi interne de la jante. La surépaisseur résultant de cette application est volontairement exagérée dans la figure 4.
De la même façon le segment d'accrochage 9 est encastré dans le corps de moyeu 6. Par exemple comme cela est représenté, le corps de moyeu présente sur chacune de ses extrémités un épaulement radial 16, et les segments d'accrochage des rayons sont pris en sandwich entre cet épaulement 16 et un flasque 17 qui est appliqué contre l'épaulement radial 16. L'encastrement est réalisé à l'aide de colle, ou encore de la matrice de résine de l'un et/ou l'autre de ces éléments. Pour améliorer la résistance à la fatigue du rayon 5, sa section est localement renforcée au niveau des segments d'accrochage 9, 10. Le renforcement local est réalisé par addition de matière composite, et en l'occurrence par addition de fibres qui augmentent localement l'étendue en surface et en résistance de la matière. Le renforcement de la section est réalisé au moins dans ou au niveau de la zone de transition 11, 12 entre le corps de rayon et les segments d'accrochage. Ces zones de transition 11, 12 se trouvent une fois le rayon fixé, soit à l'intérieur, soit à l'extérieur de la jante ou moyeu, soit les deux. Le renforcement du rayon en section a pour effet d'augmenter la résistance du rayon à l'encastrement dans cette portion où les contraintes sont élevées du fait justement de l'encastrement, et donc sa résistance particulièrement en cas de choc frontal. Les zones intermédiaires 23, 24 présentent une augmentation de section progressive entre le corps 8 et les segments d'accrochage 9, 10. Selon un mode de réalisation, la portion de section renforcée couvre la zone de transition 11, 12 et s'étend en amont de cette zone sur une petite distance, c'est-à-dire en direction de la portion médiane 8a du corps, c'est-à-dire à l'extérieur de la zone d'encastrement E. De plus la variation de section entre la portion médiane du corps et la portion de section renforcée est progressive, c'est-à-dire que la section augmente et varie régulièrement sur une première portion intermédiaire 23, 24 qui précède la portion de section renforcée. Au-delà de la zone de transition 11, 12, c'est-à-dire au niveau de l'extrémité du segrnent d'accrochage 9, 10 il y a plusieurs possibilités de construction. La première possibilité est que la section demeure constante en surface/quantité de matière, c'est-à-dire que la quantité de matière composite ne change pas. Ou bien la section 7
est diminuée pour revenir à une section ayant une quantité de matière plus faible, notamment la même que celle du corps de rayon dans sa parie médiane. Dans ce cas, comme cela a été déjà dit, de préférence, la section varie et diminue de façon régulière dans une deuxième portion intermédiaire 26.
Le rayon qui est représenté dans les figures 2 et 3 présente des portions de section renforcée 21, 22 qui couvrent chacune des zones de transition 11 et 12. Les portions de section renforcée s'étendent en amont des zones de transition vers la portion médiane 8a du corps de rayon, et se prolongent par des portions intermédiaires 23 et 24 de section progressive.
Pour le segment d'accrochage 10 avec la jante, la portion de section renforcée 22 se prolonge également en aval de la transition 12, c'est-à-dire à l'intérieur de la zone d'encastrement E proprement dite, puis le segment 10 présente une portion intermédiaire 26 où la section varie et diminue de façon régulière. Pour le segment d'accrochage 9, la portion de section renforcée 21 s'étend au- delà de la transition 11 et couvre la longueur du segment 9, c'est-à-dire toute la zone d'encastrement E. De préférence, l'augmentation de section dans les portions de section renforcée est comprise entre 20 et 100%. Cela correspond à l'augmentation de surface de matière ou du nombre de fibres de la section par rapport à la portion médiane 8a du corps de rayon. Un rayon a été construit pour une roue de route. Dans la portion médiane du corps la section a une surface de 4 mm2, et dans les portions de section renforcée une surface de 6 mm2. Les segments d'accrochage 9, 10 ont une longueur supérieure à 30 millimètres. 2:5 Du côté du segment d'accrochage à la jante, la portion de section renforcée 22 s'étend sur une longueur de l'ordre de 5 millimètres au moins au-delà de la transition 12 vers la portion médiane du corps, c'est-à-dire dans la partie visible du corps de rayon ou à l'extérieur de la zone d'encastrement, et la portion intermédiaire 24 de section progressive a une longueur de 2 millimètres au moins. 30 Vers la jante, c'est-à-dire à l'intérieur de la zone d'encastrement E du rayon dans la jante, la portion de section renforcée s'étend sur une longueur de 2 millimètres au moins au-delà de la transition 12 le long du segment d'accrochage 9, et la portion intermédiaire 23 a une longueur de 2 millimètres au moins. Du côté du segment d'accrochage 9 au moyeu, l'augmentation de section de la 35 portion de section renforcée est du même ordre de grandeur. La portion de section renforcée s'étend sur une longueur supérieure à 5 millimètres au-delà de la transition 11 en direction de la portion imédiane du corps de rayon, c'est-à-dire à l'extérieur de la zone d'encastrement E, la portion intermédiaire 23, c'est-à-dire à l'intérieur de la zone d'encastrement E, a une longueur supérieure à 2 millimètres. 8
De préférence, comme le montre les figures 5 et 6, la section du rayon dans la portion médiane 8a a une forme aplatie généralement en forme d'ellipse, avec une grande dimension ou largeur I orientée dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de la roue et une petite dimension ou épaisseur e orientée dans un plan parallèle à cet axe. La figure 6 montre la section de la portion de section renforcée 22. L'augmentation de section n'a pas modifié la largeur I de façon significative, elle a joué principalement sur l'épaisseur et qui est supérieure à celle e de la portion 8a précédente. C)n a obtenu de bons résultats avec un rayon construit de cette façon.
Cependant ceci n'est pas limitatif et les valeurs données sont seulement indicatives. En particulier la variation de section ou la non variation de section n'est pas limitative en relation avec l'accrochage du rayon à la jante et au moyeu. La figure 7 illustre de façon schématique un mode de fabrication du rayon qui viens: d'être décrit.
C)n part d'une nappe 30 de fibres composites 3Oa (par exemple en carbone ou kevlar) unidirectionnelles ou croisées enduites de résine (par exemple résine époxy) que l'on découpe pour ensuite la rouler. La nappe a une largeur constante sur la plus grande partie de sa longueur, et elle présente deux extensions latérales 31, 32 qui, à l'enroulement, vont former une surépaisseur. Après la cuisson de la résine, les surépaisseurs deviennent les portions de section renforcée 21, 22 du rayon. Ces portions 21, 22, sont non seulement renforcées en section mais également en matériau (fibres carbone ou kevlar par exemple, ayant de grandes caractéristiques mécaniques). Les portions intermédiaires sont obtenues par une découpe en biais 31a, 31b, 25 32a des extensions. D'autres modes de fabrication conviennent également. Par exemple lors de la fabrication du rayon on peut rapporter un empiècement de fils préimprégnés vers chacune des extrémités pour renforcer lesdites portions non seulement en section, mais également en matériau (fibres carbone / kevlar) ayant de hautes 30 caractéristiques mécaniques. Ainsi le renforcement local de la section du rayon dans les zones d'encastrement permet d'améliorer la résistance du rayon dans cette zone tout en préservant ses qualités de légèreté et d'aérodynamisme. Naturellement la présente description n'est donnée qu'à titre indicatif, et l'on 35 pourrait adopter d'autres mises en oeuvre de l'invention sans pour autant sortir du cadre de celle-ci. En particulier l'invention s'applique à un rayon en matière composite qui n'aurait qu'une seule extrémité encastrée dans la jante ou le moyeu, l'autre extrémité étant accrochée par un autre moyen. Cela peut être le cas par exemple si la jante ou le 9
corps de moyeu est réalisé en un alliage métallique. On peut construire également une roue avec une partie seulement des rayons qui sont réalisés en suivant ce qui viens` d'être décrit.