Chaîne

On retrouve trace de la chaîne 200 ans avant Jésus-Christ et plus récemment, au XVIè siècle, dans les croquis de Léonard de Vinci. Mais la chaîne mécanique à rouleaux a été inventée en 1880 par Hans Renold. Les qualités de la chaîne à rouleaux sont indéniables :

• grande souplesse d'utilisation,
• à puissance égale, un encombrement plus faible que tout autre moyen de transmission,
• un synchronisme ou rapport de transmission précis et invariable,
• un rendement excellent de l'ordre de 98 %,
• une fiabilité assurée avec une chaîne bien entretenue.

Quelques tâtonnements, au début de l'histoire du cycle, ont vu l'utilisation de la chaîne à levier (la fameuse chaîne Simpson, voir l'affiche de Toulouse-Lautrec) ou le recours à une transmission par cardan (l'acatène – littéralement la  "sans chaîne").
De même avant l'adoption de la chaîne à rouleaux, la chaîne pleine fut d'un usage répandu. Dans ce cas, un maillon sur deux était plein ce qui explique les développements indiqués à l'époque (en particulier pour les pistards) du type 23x7.

Travail de la chaîne

Etienne Bernadet par un calcul publié dans la revue du "Cyclotouriste de Lyon" qu'il reprit plus tard dans "Cyclo-Magazine" a essayé de nous faire comprendre l'importance des contraintes subies par les maillons.

"Quand un cycliste roule à 40 km/h - ce n'est peut-être pas une allure très touristique, mais enfin, ceux qui trouveront le train trop rapide n'auront qu'à diviser les chiffres suivants par 2 ou par 3 - le chemin parcouru en une minute est de 666 mètres, soit 316 tours de roue-minute. Si l'on admet qu'à ce moment-là on travaille sur une roue libre de 16 dents, c'est, dans le même temps d'une minute, 5.056 maillons de chaîne qui passent sur la roue libre. Chaque maillon, à son passage sur le pignon avant et sur la roue libre, fait, quel que soit le nombre de dents, une rotation sur lui- même correspondant à un demi-tour à l'entrée, un demi-tour en sens inverse à la sortie. C'est donc deux tours complets qu'il effectue pour chaque dent du pignon, soit, dans une minute, 10.112 tours.
Mais, lorsque la machine est équipée avec un dérailleur à double enroulement de chaîne, celle-ci, en prenant le cas de la tension moyenne, vient de la position horizontale à la position verticale en passant sur le galet tendeur, puis revient à la position horizontale en passant sur le baladeur. C'est donc encore chaque fois 1/4 de tour, soit, pour les deux passages, un demi-tour du maillon. A la vitesse de 40 km/h, voilà donc encore 5.056 demi-tours, soit 2.528 tours de maillons qui s'ajoutent aux 10.112 tours faits sur les pignons, ce qui nous donne un total impressionnant de 12.640 révolutions par minute. C'est assez coquet cela. Dire qu'il y a des gens qui négligent les frottements, sous prétexte qu'une chaîne grasse salit les knickers - il est vrai qu'avec la mode du short, l'excuse ne tient plus."

Dysfonctionnement

Dans le cas d'une chaîne usée s'engrenant sur un pignon neuf, le pas de la chaîne est supérieur à celui des dents du pignon. La chaîne va de ce fait monter le long du flanc de la denture et il en résulte un déséquilibre des efforts. Ce déséquilibre peut aller jusqu'à perdre une partie de l'effort moteur dans le brin mou de la chaîne. En pratique deux cas sont à envisager. La chaîne n'est pas trop usée, il y a seulement baisse du rendement. Par contre, si la chaîne est fortement usée, elle monte complètement au sommet des dents et saute d'une dent sur l'autre.

Dans le cas d'une chaîne neuve s'engrenant sur un pignon usé, le rouleau ne va plus venir s'asseoir sur le fond de la denture. Et comme précédemment elle monte au sommet des dents et saute d'une dent sur l'autre.

En transmission industrielle, on considère qu'il ne faut pas descendre en dessous de 15 dents au minimum (et même 21 dans le cas des à-coups). Sur nos bicyclettes, le développement des roues libres à 8-9 et maintenant 10 vitesses a entraîné une diminution du nombre de dents du pignon d'entrée. Heureusement, contrairement à l'entraînement des machines industrielles, nous tournons les jambes beaucoup moins vite et, malheureusement pour nous, la puissance à transmettre est nettement moins moindre.

Entretien

La lubrification a plusieurs fonctions :

• Interposer un fluide entre les surfaces frottantes (axes/douilles, douilles/rouleaux et rouleaux/dentures) mais aussi entre les plaques intérieures et les plaques extérieures pour éviter autant que possible tout contact métal sur métal.
• Protéger la chaîne contre les agressions du milieu ambiant, en particulier éviter son oxydation tant externe qu'interne.
• Interposer un fluide entre les surfaces pour atténuer le bruit.

Le graissage s'effectue sur la face intérieure des brins de la chaîne. En effet, dans le cas contraire, la force centrifuge empêcherait sa progression vers les surfaces frottantes.

Pour faire durer la transmission, Etienne Bernadet proposait même "un service alterné de deux chaînes", en mettant "alternativement chaque chaîne au repos après 500 km environ. Ceci pour que leur allongement suive des courbes parallèles". L'objectif étant un entretien plus minutieux et un remplacement moins fréquent des pignons des roues libres.

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Références

- Etienne Bernadet, La page technique - Quelques réflexions sur la chaine, "Cyclo-Magazine", n.28, juillet 1937, pages 6 et 7.
- Etienne Bernadet, La page technique - La chaine, son entretien, "Cyclo-Magazine", n.38, décembre 1937, pages 11 à 13.

Chambre à air

Historique

L'histoire de la chambre à air est à rapprocher de l'histoire du pneumatique. Mais avant même le pneumatique, on trouve les naturalistes français Charles Marie de La Condamine et François Fresneau de la Gataudière qui effectuèrent les premières études scientifiques sur le caoutchouc naturel en Amérique du Sud.

Plus tard l'Américain Charles Goodyear trouva le moyen, un peu par hasard, d'éviter les transformations indésirables du caoutchouc : dur et cassant l'hiver, mou et adhésif l'été.

Latex ou Butyl

Le caoutchouc naturel provient du latex produit par l'hévéa. Ses points forts sont sa flexibilité, sa résistance et son très grand allongement (jusqu'à 7 fois sa longueur initiale). Ainsi les chambres en latex peuvent être à la fois fines (et donc souples) tout en résistant parfaitement à la crevaison.

Le butyl ou caoutchouc isobutène-isoprène est, lui, un caoutchouc synthétique. Issu directement de la chimie, le butyl est d'un coût moindre, mais il ne possède pas la très grande élasticité du latex.

Pour des raisons de souplesse et donc de confort, il est préférable sur un tandem d'utiliser des chambres à air en latex, surtout si vous roulez en 700. Les chambres disponibles pour section 23 s'adaptent parfaitement à la section supérieure (25 mm) et les chambres VTT conviennent aussi pour le 650.

Crevaison

Etienne Bernadet a bien résumé les problèmes de crevaison et d'éclatement dans un article paru en 1938 :

"(...) sur le tandem une crevaison, si elle est subite et affecte le pneu avant, peut prendre les proportions d'une catastrophe. Je puis en causer d'expérience.
D'où peuvent provenir ces crevaisons ? De deux causes principales, soit de défectuosités de la chambre elle-même : porosités, pièces se décollant, soit de perforations dues à des frottements indésirables. Quel moyen pour les éviter ou du moins de les rendre rares ?
En ce qui concerne les chambres, il convient tout d'abord de les choisir de bonne qualité, pas trop minces, éviter de placer, surtout à l'avant, une chambre vieille de plus de deux ans ou couverte de pièces. Il vaut mieux, pendant l'été, rouler avec une chambre absolument neuve et vierge de toute pièce. C'est une question de sécurité.
On n'ignore pas qu'une forte élévation de température provoque le décollement des pièces et même des raccords collés à la dissolution. C'est souvent ce qui se produit pendant la saison chaude et au cours des longues descentes nécessitant un freinage, auquel le tambour arrière ne peut suffire complètement sans s'échauffer lui-même exagérément. Les jantes sont alors portées à une très haute température qui se communique à la chambre et à l'enveloppe.
Mais, même avec de bonnes chambres, n'ayant jamais subi de perforation, on peut encore être ennuyé par des crevaisons de causes internes.
Les grands responsables sont souvent les rayons, si l'extrémité filetée n'a pas été limée soigneusement au ras de l'écrou et que la mèche de fond de jante soit un peu squelettique, la perforation, au bout d'un temps plus ou moins long, est inévitable. (...)
Conclusion : Sur un tandem surtout, pour ne pas avoir d'ennuis de ce côté-là, il faut :
1. Eliminer les chambres minces, poreuses, rapiécées ou trop vieilles ;
2. Assurer à la chambre un logement confortable, autant que possible bien cylindrique et sans aspérités.
(...)
On peut ajouter que le pilote du tandem fera bien, au cours des longues descentes, d’alterner le plus possible l’emploi de ses freins : jante avant et arrière et tambour, de façon à assurer ainsi des périodes de refroidissement aux jantes."

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Référence

- Etienne Bernardet, Questions diverses - Crevaisons, "Cyclo-Magazine", 15 novembre 1938, pages 402/403.

Chrome

Le Chrome

Le chrome s'oxyde vers 800°C, il n'est donc pas oxydé par l'air atmosphérique. Il résiste à presque tous les agents chimiques (acides, bases). Par contre, il est fortement attaqué par l'acide chlorhydrique.

Le chrome est présent dans les aciers inoxydables (tels que l'acier Maraging des tubes Reynolds 953 ou dans celui utilisé pour les garde-boue qui équipent les randonneuses de qualité) : on considère qu'au delà de 10,5 à 12 %, il rend l'acier intachable en atmosphère humide.

Le chrome est également un composé dur et résistant à l'usure qui présente un faible coefficient de frottement. Il est ainsi utilisé dans de nombreuses applications mécaniques : comme les portées de roulement, par exemple. Par contre, sa dureté le rend fragile et diminue la résistance à la fatigue.

Le chromage décoratif est utilisé dans le but d'obtenir des surfaces brillantes d'un aspect éclatant. On a recours à ce procédé, par exemple, pour les projecteurs de phare mais aussi pour les porte-bagages, certains cadres (les randonneuses chromées Herse par exemple) ou des parties du cadre (les bas des fourreaux de fourche, les haubans arrière) car les surfaces chromées sont intachables et offrent une bonne résistance aux rayures.

Le chromage est réalisé par dépôt électrolytique. C'est à dire que la pièce à chromer reliée au pôle négatif d'une source de courant sera plongée dans un bain d'acide chromique. Le courant qui circule dans le bain viendra déposer un chrome métallique à la surface de la pièce (servant de cathode).

Le chromage décoratif

L'objectif étant d'obtenir un aspect brillant, une des étapes essentielles est le polissage du métal de base. Trois méthodes sont possibles en fonction du type de pièces : le polissage mécanique à la main, le polissage dans un tonneau et le polissage électrolytique ou chimique.

Pour obtenir un dépôt électrolytique adhérent, il faut que la surface du métal soit propre pour permettre le mouillage du bain électrolytique et être dans son état le plus pur (c'est à dire sans zone oxydée). Le décapage de l'acier est généralement effectué par un acide sulfurique. Le dégraissage est effectué par solvant.

Avant le chromage proprement dit, un nickelage et un cuivrage sont pratiqués. Pour améliorer la protection vis-à-vis de la corrosion, un cuivrage de 5 à 10 microns est réalisé sur l'acier. Ce cuivrage est réalisé par immersion dans des bains chimiques. Après ce cuivrage, un film de nickel est déposé par électrolyse (Nickel électrolytique) ou par immersion dans un bain (Nickel chimique). Le dépôt de nickel est de 5 à 40 microns.

Au final, le chromage électrolytique est réalisé. Celui-ci est généralement d'épaisseur très faible (0,2 à 0,5 micron).

Après chromage les pièces sont rincées avant séchage (2 à 3 rinçages).

Comportement en corrosion

C'est avant tout l'effet de pile entre les différents métaux en présence qui génère la corrosion. Dans le cas d'un revêtement anodique (nickel sur acier), c'est le métal de base qui est attaqué et le revêtement se détruit par écaillage. Il faut donc qu'il n'y ait pas de discontinuité (fissures, épaisseur insuffisante, détérioration mécanique consécutives à des rayures ou à une usure par frottement).

Dans le chromage, c'est donc l'épaisseur de la sous-couche de nickel qui est fondamentale pour la tenue à la corrosion. Il est préférable d'avoir un dépôt de nickel d'épaisseur importante (30 microns).

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Référence

- Paul Morisset, Chromage dur et décoratif, Ed. Cetim, 1982.

Composite

Définition

Un matériau composite est constitué de fibres longues noyées dans une matrice (ou liant) organique. Le liant permet de transmettre les efforts de fibreà fibre. Les caractéristiques du matériau sont bien évidemment anisotropes compte tenu de l'orientation des fibres.

Première apparition

Les composites en fibre de verre apparraissent vers 1940 pour l'aéroautioque. Mias pour le cycle, c'est au salon de Londres, en 1954, que la société allemande Hercules exposa pour la première fois une bicyclette avec un cadre composite. Il s'agissait à l'époque d'une machine expérimentale. Les trois tubes principaux, les bases et les haubans étaient réalisés en tubes de fibres de verre et étaient montés dans des raccords métalliques.

Il faudra attendre beaucoup plus tard, dans les années 1980, pour voir à nouveau des cadres composites en fibres de carbone. Bernard Hinault utilisa ceux de la société TVT (pour Technique du Verre Tissé) qui furent ensuite repris sous la marque Look. Alors que les fibres de carbone avaient déjà été utilisées dans l'aéronautique militaire dans les années 1960.

Premières fibres de carbone

La première fibre de carbone a été utilisée par Thomas Edison en 1880 pour réaliser un filament de lampe à incandescence.

Ce n'est qu'en 1950 qu'elle fut redécouverte à la fois par la société française Le Carbone-Lorraine et les sociétés américaines National Carbon Company et Barnebey-Cheney Company. Au début des années 1960, un brevet d'obtention de la fibre de carbone à partir de fibres de polyacrylonitrile (PAN) est déposé au Japon par Shindo. En 1971, Toray Industries lance la production de fibres et commercialise des fibres de carbone issues de PAN. Toray est resté l'un des grands fabricants de fibres, elles sont utilisées par de nombreux constructeurs de tubes.

Une autre voie d'obtention à partir de la pyrolise des fibres de brai (goudron de houille ou résidus de pétrole) a, par contre, été abandonnée.

Ces matériaux à hautes performances furent tout d'abord utilisés par l'industrie aéronautique. Mais dès 1974, sous l'impulsion des Japonais, on les utilisa dans la fabrication d'équipements sportifs (cannes à pêche).

Caractéristiques mécaniques

Les fibres de carbone sont classées en fonction de leurs caractéristiques de traction (module d'élasticité). Le module d'élasticité est représentatif de la déformation sous un effort donné. Plus il est élevé, moins le matériau se déforme (à même géométrie). Pour mémoire, l'acier a un module de 210 GPa et les alliages d'aluminium 70 GPa.

COMPARAISON DES PROPRIETES TYPIQUES
Catégories	Fibres	Module d'élasticité (GPa)	Résistance à la rupture (MPa)
Usage général	UG	inférieur à 200	700 à 800
Haute résistance	HR	200 à 250	3000 à 4900
Module intermédiaire	MI	250 à 400	4100 à 5700
Haut module	HM	400 à 600	2000 à 4100
Très haut module	THM	supérieur à 600	2400

Dans la construction des cadres, ce sont généralement des fibres HR ou des fibres HM qui sont utilisées. Par contre, ce ne sont pas les caractéristiques de la fibre qui importent mais celles du tube, c'est à dire des fibres enfermées dans la résine epoxy. Dans ce cas, les performances peuvent être beaucoup plus classiques. Le tableau suivant compare un alliage d'aluminium avec des composites à fibres de carbone empilées (1ère couche à O°, puis une 2è à 45°, une 3è à -45°, puis une 4è à +90° et ainsi de suite...) :

COMPARAISON DES PROPRIETES TYPIQUES
Catégories	60% Fibres HR avec résine Epoxy	60% Fibres HR avec résine Epoxy	Alliage d'aluminium 7075 T6
Masse volumique (g/cm3)	1,53	1,55	2,8
Module d'élasticité	50	50	70
Résistance en traction (MPa)	555	820	540

La fibre carbone présente un allongement avant rupture très faible, de l'ordre de 1,3 à 1,7 %. De ce fait, elle ne se déforme pas lors d'un choc mais se rompt. Lors d'une chute, l'endommagement causé par la première rupture d'une couche (généralement celle à 90°) peut être réel mais non visible. De plus, les composites sont sensibles aux contraintes autour d'un trou (vis...).

Une autre caractéristique mise en avant concerne le nombre de filaments compris dans une mèche (ou "Roving") : on parle alors de 3K (pour 3000 filaments). Attention, plus la mèche est petite, meilleure sera la qualité. Car avec un nombre élevé de fils, s'accroît le risque de manque de pénétration du liant. En aéronautique, ce sont donc des tissus fins qui sont utilisés.

Par contre, les composites renforcés de fibres de carbone ont une excellente tenue en fatigue (c'est à dire sous une multitude de cycles à faible charge).

Application au tandem

Avec du retard sur les bicyclettes, la mode du carbone pénètre le petit monde du tandem. Le premier cadreur à se lancer dans le tandem en fibres de carbone fut l'Américain Calfee en 2000.

En France, l'un des premiers constructeurs à se lancer depuis quelques années est Levacon. Deux de ses machines ont participé au dernier Bordeaux-Paris Randonneur mais elles n'ont pas détrôné les cadres en acier ! Framy's, quant à lui, propose des cadres en alliage d'aluminium avec la fourche, les haubans et les bases en carbone.

Malheureusement ces machines ne sont pas réellement adaptées à la grande randonnée : absence de garde-boue, de porte-bagages...

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Références

- Jean Garnault, Au salon de Londres : La ligne continentale gagne l'Angleterre, "Le Cycliste", n°1, janv.1955, p.3 et 4.
- Jean Luyckx, Matériaux inorganiques - Fibres de carbone, "Techniques de l'ingénieur" Doc. A 2 210.