Les manivelles de bicyclette - La Fédération Forge Fonderie

TECHNIQUE
Les manivelles de bicyclette
Les composants forgés ont su s’imposer sur chaque moyen de
locomotion et/ou de transport pour répondre à des critères de
sécurité, de performance (allègement, efficacité énergétique,
réduction des impacts environnementaux…) ou à d’autres besoins.
Non seulement le cyclisme ne déroge pas à ces exigences, mais il
présente de plus un jeu de composants qui doivent leur allier
esthétisme et résistance à la corrosion.
Leur utilisation
Tous les amateurs de la “petite reine”
(qu’ils soient aussi coureurs, professionnels ou non) appuient ferme sur
les pédales pour la faire avancer,
n’hésitant pas à jouer du braquet [1]
pour un maximum d’efficacité.
Rapport de dentures ou pas, plus le
pédalier tourne vite et plus la roue
arrière tournera rapidement aussi.
Ce phénomène est amplifié par l’effet de levier créé par les manivelles,
lien entre les pédales et l’axe du
pédalier. Les efforts générés et transmis sont multiples et relèvent de
purs modèles mathématiques et
mécaniques.
Les forces et contraintes
issues du déplacement
F acc
F air
Fp
C’
C’
Pour faire avancer sa bicyclette (surtout en côte), le cycliste va devoir produire un effort mécanique supérieur
aux différentes forces résistantes.
Les contraintes sur les manivelles sont
donc très fortes :
le cycliste appuie avec une force F au
pédalage (voire aussi une force de
traction avec l’autre manivelle) qui va
se transformer en couple via la mani-
1/2 Froul
F
1/2 Froul
α
Influence de la masse sur les performances du cycliste
Attraction terrestre
Inertie
Frottement
Aérodynamique
Fp= m•g•sinα
acc= a•m+Σmrot•arot
Froul= m•g•fr
Fair=1/2•(ρair•A•cw•v2)
Vue des forces exercées par le
champion cycliste sur les manivelles
m : masse totale (kg)
g : gravité (m/s2)
α : pente (°)
mrot: masse en rotation (kg)
a : accélération (m/s2)
Détail de l’axe de pédalier
velle C = F*l (l longueur de manivelle)
La puissance développée P = C*ω,
avec ω vitesse de rotation ou
P = F*l* ω.
Le couple se préservant (à l’exception
des frottements mécaniques), on
omprend tout de suite le rôle du braquet, car C*ω = C’*ω’ (sur la roue) car
le couple devra s’élever avec la valeur
de l’angle α.
Les données de dimensionnement
reprennent des valeurs mesurées
comme la fréquence de pédalage, qui
est en moyenne de 80 tours par minute
et peut atteindre un maximum de
140/150 tours par minute en sprint.
Les différentes forces exercées sur la
manivelle sont au maximum de 80 %
du poids du coureur. Suivant l’emploi
des pédaliers (urbain ou compétition),
la valeur de charge testée est comprise
entre 120 kg et 180 kg, pour des essais
de résistance sur 100 000 cycles.
fr : coefficient de frottement ()
ρair : densité de l’air (kg/m3)
A : surface frontale (m3)
cw : coefficient de résistance de l’air ()
v : vitesse du véhicule (m/s)
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la forge n° 44
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TECHNIQUE
Des réponses à chaque type
de contrainte
Les contraintes et sollicitations
auxquelles les manivelles doivent
faire face peuvent être listées :
■ organes de sécurité, elles ne doivent en aucun cas casser,
■? sa disponibilité,
■? ses propriétés mécaniques connues,
■? sa capacité à être traité en différentes teintes (par anodisation)
■? ou encore l’absence de rouille
en cas d’altération du traitement
de surface.
■?être les plus légères possible
avec une forte résistance en fatigue
et aux chocs (probables sur des
emplois tous terrains),
Ces propriétés intrinsèques sont
renforcées par les opérations de
forgeage, qui, lors du corroyage,
permettent :
■? leur géométrie doit leur permettre :
■? d’obtenir de façon répétable et
précise les formes et cotes voulues,
■ de contribuer à réduire la résistance aérodynamique,
■?d’affiner et de contrôler parfaitement le grain et la structure matière, ce qui l’affranchira de
défauts internes ou superficiels et
ralentira toute propagation de corrosion,
■ d’apporter une résistance mécanique maximale (via un moment
quadratique soigneusement calculé),
■ d’être esthétiques,
■? en complément, elles ne doivent
pas s’oxyder.
L’énoncé de ces critères impose la
forge comme procédé d’obtention
des composants, le matriçage en
particulier.
■?? d’augmenter sensiblement la
tenue en fatigue,
■?de réduire drastiquement la
matière nécessaire pour assurer les
fonctions de la manivelle, grâce à
downsizing et à l’obtention de
formes précises via la mise en forme.
L’aluminium est choisi pour réaliser ces composants en raison de :
Ces propriétés seront renforcées
par le traitement thermique de l’alliage retenu.
■? sa faible densité,
Les différentes fonctions
Ebauche de manivelles matricées avec étoile
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de la manivelle
Outre transférer et amplifier l’effort du cycliste, les manivelles
doivent aussi assurer certaines
fonctions, comme leur liaison au
pédalier sans endommagement du
carré d’entraînement, ou de
même à l’axe de la pédale.
Certaines constructions permettent aussi d’insérer une étoile
pour transmettre le mouvement
aux plateaux. Dans le cas où la
bicyclette comporte plusieurs plateaux (et notamment dans le cas
de 3 plateaux), la manivelle pourra
recevoir une forme spécifique
pour ne pas interférer lors du
pédalage.
Conclusion
Un composant a priori anodin,
que chacun voit sans forcément
l’apercevoir, mais qui réside au
cœur du bon fonctionnement de
la bicyclette et contribue même à
la performance globale de son utilisateur.
❚
Fabrice Chevaleyre
avec la collaboration de Madame
Briatte, Spécialités TA
Vue des formes réalisées sur les manivelles
TECHNIQUE
MIDEST
Vue d’un type d’assemblage des plateaux aux manivelles
[1] braquet : désigne le rapport de dentures (modifiable
ou non selon les modèles de cycles et leur utilisation)
entre le nombre de dents du plateau (directement monté
sur le pédalier) et celui (du) des pignons montés sur le
moyeu de roue. Il est courant d’entendre des expressions
comme 54 x 15, soit le nombre de dents du plateau par
nombre de dents sur la roue.
Source images : Spécialité TA
E N G L I S H
Bicycle cranks
Forged components imposed themselves on every means of
transport to provide efficient solutions to safety, security,
performance (weight reduction, energy efficiency, environmental impacts reduction…) or other demands.
Cycles totally cope with these and must also show components with extra objectives like aestheticism and corrosion
resistance.