Cadre de Velo

TP Matriaux

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TP Choix de Matriaux

Cadre de Velo

Logiciel support: CES Edupack

Table des Matires

Introduction3

Recherches Personnelles4

Mthodologie et Explication6- Vlo grand public7- Vlo de course12

Conclusion17

Introduction

Notre tude porte sur le choix du matriau idal pour raliser un cadre de vlo, dans un premier temps pour une utilisation grand public, et dans un autre un cadre sportif. Pour cela nous nous somme bas sur un cahier des charges prcis et loutil CES Edupack.

Le vlo est prvu pour une utilisation sur route goudronnes une frquence dune deux fois par semaine, par un utilisateur adulte avec les mensurations moyenne suivante:

Taille: 1m75

Poids: 75Kg

Entre-jambe: 680mm

Torse: 820mm

Base: 650mm

Les points important du cahier des charges sont:

Le poids doit tre le plus faible possible

La rsistance aux sollicitations mcaniques doit tre optimale

La protection contre les agressions extrieures

La fabrication du vlo doit minimiser le cot

La fabrication du vlo doit minimiser les missions de CO2

Recherches Personnelles

Cadres de vlos sur le march:

En Acier:

Lacier est le matriau le plus rpandu pour les cadres de vlos grands publics. Sa rsistance lastique, sa facilit dassemblage et son faible y sont pour beaucoup. Cependant, lacier est lourd et sa rsistance la corrosion est faible sil est mal protg.

En Aluminium:

De plus en plus utilis, laluminium est plus lger que lacier mme sil est un peu plus cher. Il est principalement prsent dans les vlos milieu de gamme. Sa limite lastique est plus faible que celle de lacier mais on peut la compenser en augmentant le diamtre des tubes pour augmenter sa rigidit.

En Titane:

Lutilisation du titane est trs rare car excessivement cher. Sa rsistance la corrosion, sa rigidit et son faible poids sont de nets avantages et sont rservs des vlos haut de gamme.

En Fibre de Carbone:

La fibre de carbone est de plus en plus utilise. En effet, la fibre de carbone est lgre, rsistante la corrosion et les possibilits de formes sont quasi infinies(les cadres monoblocs par exemple). Il sagit du matriau le plus utilis en comptition. Malgr son prix, la fibre de carbone gagne de la place sur le march, y compris dans les vlos de particulier.

Recherches Personnelles

Vlo grand public:

Le vlo grand publique peut tre trs lourd, mais la tendance actuelle est de limit le poids. Certains vlos peuvent peser jusqu 22kg, comme les Vlib par exemple, mais la plupart des vlos grand public sur le marcher psent entre 14 et18 kg, pour des prix allant de 200 400.

Nous estimons que notre vlo devra peser au maximum entre 14 et 16kg pour un prix de 350. En enlevant le poids des roues et quipement, le cadre devra peser environ 10-12kg.

Pour cela, la masse volumique du matriau utilis ne devra pas excder 6000kg/m3 et pour garder un prix abordable pour le produit final nous fixons un limite 15/kg.

Vlo de course:

Un vlo de course doit tre lger, les vlos semi-professionnels psent entre 7 et 9kg. Pour cette tude, le prix ne sera pas une limite mais plutt un critre qualitatif dans le choix du matriau.

Nous estimons que le cadre de notre vlo de course ne devra pas excd 6kg pour une masse volumique maximale de 3000kg/m3.

Mthodologie et Explications

Nous ferons deux tudes distinctes pour les deux types de vlos. Pour le vlo grand public, nous privilgierons le prix. Pour le vlo de course nous privilgierons la performance et la tnacit pour la scurit.

Lempreinte environnementale sera prise en compte au mme niveau que la rsistance aux agressions extrieures et aux sollicitations mcaniques.

Nous commencerons notre tude par slectionner les matriaux qui correspondent aux limites de proprit imposes. Nous utiliserons par la suite les indices de performance fournis.

Le cadre est destin tre produit en grande srie: les procds dassemblage doivent tre rentables et couramment utiliss. Nous ne prendrons pas en compte la proprit de rsistance lenvironnement car nous appliquerons un traitement de surface. Par contre, le matriau choisi devra pouvoir recevoir un traitement de surface ainsi que de la peinture pour rpondre la question de lesthtisme.

Mthodologie et Explications

Nous utilisons CES Edupack au niveau 3.

Le vlo tout public:

Etape 1: Etude des limites de proprit

Grce ltude prliminaire, nous avons valu les limites de proprit suivantes:

Prix au kg

< 15/kg

Limite dlasticit

> 100 MPa

Module dYoung E

> 50 GPa

Temprature dutilisation

-10C < T < 50C

Tnacit KIC

> 10 MPa.m1/2

Masse Volumique

3000 kg/m3

Limite dlasticit

> 100 MPa

Module dYoung E

> 50 GPa

Temprature dutilisation

0C < T < 60C

Tnacit KIC

> 20 MPa.m1/2

Nous obtenons une liste de 288 matriaux sur 3921.

Etape 2: Etude de lassemblage

De la mme manire que pour le vlo grand public, nous prendrons en compte les procds de soudage mcanique et technique. Nous avons effectu un Tree Stage.

Mthodologie et Explications

Etape 3: Etude des indices de performance

Nous avons procd de la mme faon que pour le vlo grand public.

Indice de performance en traction

Mthodologie et Explications

Indice de performance en flexion

Mthodologie et Explications

Indice de performance en tnacit

Mthodologie et Explications

Il nous reste alors une liste de10 matriaux que nous classons galement en fonction du prix au kilogramme:

On constate une diffrence de prix trs leve. Nous dcidons de choisir la fibre de carbone Epoxy SMC, qui est la moins cher et qui correspond au cahier des charges. Bien que pour linstant, la fibre de carbone soit trs peu recyclable, il sagit du matriau le plus adapt pour les performances demandes.

Conclusion

Apres cette tude nous avons donc choisi laluminium 6463 pour la fabrication du cadre pour vlo grand public, en effet il rpond aux conditions impos par le cahier des charges. Ce rsultat correspond au march actuel de vlos grand public qui sont en grande majorit fabriqu en aluminium.

Pour le cadre sport cest la fibre de carbone Epoxy SMC que nous avons choisi. Il permet de rduire significativement le poids du vlo et ainsi gagner en performance, nest en moins cela entraine une forte augmentation du prix rservant ce type de vlo des personnes ais ou des professionnels. La meilleure illustration de lutilisation de la fibre de carbone pour les vlos est videmment le tour de France o les performances sont pousss au maximum.

On peut se demander si dans un futur plus ou moins proche, comment ces normes volueront, ou mme, si les vlos ressemblerons ce que nous connaissons aujourdhui. En effet dans notre monde en perptuel volution, on peut aisment imaginer de nouveaux procds et alliages, et mme de nouvelles formes de vlos.

Mai 2015

Density (kg/m^3)

10100100010000

Fracture toughness (MPa.m^0.5)

0,001

0,01

0,1

1

10

100

1000

Aluminum, 2090, wrought, T83

Metals and alloys

Density (kg/m^3)

10100100010000

Young's modulus (GPa)

1e-5

1e-4

0,001

0,01

0,1

1

10

100

1000

Epoxy SMC (carbon fiber)

Metals and alloys

Composites

Density (kg/m^3)

10100100010000

Young's modulus (GPa)

1e-5

1e-4

0,001

0,01

0,1

1

10

100

1000

Epoxy SMC (carbon fiber)

Metals and alloys

Density (kg/m^3)

10100100010000

Fracture toughness (MPa.m^0.5)

0,001

0,01

0,1

1

10

100

1000

Epoxy SMC (carbon fiber)

Metals and alloys