Vélo

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Contexte

Le vélo est l'un des modes de transport les plus populaires au monde, avec quelque 800 millions de vélos plus nombreux que les voitures par deux. Les vélos sont également le véhicule le plus écoénergétique :un cycliste brûle environ 35 calories par mile (22 calories par km), tandis qu'une automobile brûle 1 860 calories par mile (1 156 calories par km). Les vélos sont utilisés non seulement pour le transport, mais aussi pour le fitness, la compétition et les randonnées. Ils se présentent sous une myriade de formes et de styles, y compris les vélos de course, les vélos tout-terrain et les vélos stationnaires, ainsi que les monocycles, les tricycles et les tandems.

Historique

Dès 1490, Léonard de Vinci avait imaginé une machine remarquablement similaire à la bicyclette moderne. Malheureusement, da Vinci n'a pas tenté de construire le véhicule, et ses croquis n'ont été découverts que dans les années 1960. À la fin des années 1700, un Français nommé Comte de Sivrac a inventé le Celerifere, un cheval de bataille en bois brut composé de deux roues et reliées par une poutre. Le cavalier s'asseyait au sommet de la poutre et propulsait l'engin en poussant ses pieds contre le sol.

En 1816, le baron allemand Karl von Drais a conçu un cheval de loisir orientable, et en quelques années, l'équitation est devenue un passe-temps à la mode en Europe. Les cyclistes ont également découvert qu'ils pouvaient utiliser l'appareil les pieds au-dessus du sol sans perdre l'équilibre. Ainsi, en 1840, un forgeron écossais du nom de Kirkpatrick Macmillan fabriqua un appareil à deux roues actionné par une pédale. Deux ans plus tard, il a parcouru jusqu'à 64 km d'affilée au cours d'un aller-retour record de 225 km jusqu'à Glasgow. Quelques décennies plus tard, un Français, Ernest Michaux, a conçu un cheval de loisir qui utilisait des manivelles et des pédales rotatives connectées à l'essieu avant. Le Vélocipède, fait de roues en bois et d'un fer cadre et pneus, a gagné le surnom de "boneshaker".

Les années 1860 se sont avérées être une décennie importante pour l'amélioration du vélo avec l'invention de moyeux à roulement à billes, de roues à rayons métalliques, de pneus en caoutchouc plein et d'un levier de vitesses à quatre vitesses actionné par levier. Vers 1866, une version inhabituelle du Vélocipède a été créée en Angleterre par James Stanley. Il s'appelait l'Ordinary, ou Penny Farthing, et il avait une grande roue avant et une petite roue arrière. Les Ordinaires ont rapidement été exportés aux États-Unis où une entreprise a également commencé à les fabriquer. Ces vélos pesaient 70 livres (32 kg) et coûtaient 300 $, une somme substantielle à l'époque.

En 1885, un autre Anglais, John Kemp Starley, a créé le Rover Safety, ainsi appelé car il était plus sûr que l'Ordinary qui avait tendance à faire rouler le cycliste sur la grande roue avant lors d'arrêts brusques. Le Safety avait des roues de taille égale en caoutchouc solide, une roue arrière entraînée par chaîne et un cadre en forme de losange. D'autres développements importants dans les années 1800 comprenaient l'utilisation des pneus pneumatiques de John Boyd Dunlop, qui avaient des chambres à air remplies d'air qui absorbaient les chocs. Les freins à rétropédalage ont été développés en 1898, et peu de temps après, la roue libre a rendu le vélo plus facile en permettant aux roues de continuer à tourner sans pédaler.

Le cadre se compose des triangles avant et arrière, l'avant formant en réalité plus un quadrilatère de quatre tubes :le tubes supérieurs, de siège, inférieurs et de direction. Le triangle arrière se compose des bases, des haubans et des pattes de roue arrière. La fourche et le tube de direction sont fixés au tube de direction à l'avant du cadre.

Au cours des années 1890, les vélos sont devenus très populaires et les éléments de base du vélo moderne étaient déjà en place. Dans la première moitié du 20e siècle, des alliages d'acier plus résistants ont permis des tubes de cadre plus minces, ce qui a rendu les vélos plus légers et plus rapides. Des engrenages de dérailleur ont également été développés, permettant une conduite plus douce. Après la Seconde Guerre mondiale, la popularité du vélo a chuté à mesure que les automobiles prospéraient, mais a rebondi dans les années 1970 lors de la crise pétrolière. À cette époque, les vélos de montagne ont été inventés par deux Californiens, Charlie Kelly et Gary Fisher, qui ont combiné les pneus larges des anciens vélos à pneus ballon avec la technologie légère des vélos de course. En 20 ans, les vélos de montagne sont devenus plus populaires que les vélos de course. Bientôt des hybrides des deux styles combinaient les vertus de chacun.

Les matières premières

La partie la plus importante du vélo est le cadre en forme de losange, qui relie les composants entre eux dans la configuration géométrique appropriée. Le cadre confère résistance et rigidité au vélo et détermine en grande partie la maniabilité du vélo. Le cadre se compose des triangles avant et arrière, l'avant formant en réalité plus un quadrilatère de quatre tubes :les tubes supérieur, de siège, inférieur et de direction. Le triangle arrière se compose des bases, des haubans et des pattes de roue arrière. La fourche et le tube de direction sont fixés au tube de direction à l'avant du cadre.

Pendant une grande partie de l'histoire de la bicyclette, le cadre a été construit en acier et en alliage d'acier lourd, mais solide. Le matériau du cadre a été continuellement amélioré pour augmenter la résistance, la rigidité, la légèreté et la durabilité. Les années 1970 ont inauguré une nouvelle génération d'aciers alliés plus polyvalents qui pouvaient être soudés mécaniquement, augmentant ainsi la disponibilité de cadres légers et peu coûteux. Au cours de la décennie suivante, les cadres en aluminium léger sont devenus le choix populaire. Les métaux les plus résistants, cependant, sont l'acier et le titane avec une durée de vie de plusieurs décennies, tandis que l'aluminium peut se fatiguer en trois à cinq ans.

Les progrès technologiques des années 1990 ont conduit à l'utilisation de cadres encore plus légers et plus solides en composites de fibres structurelles telles que le carbone. Les matériaux composites, contrairement aux métaux, sont anisotropes; c'est-à-dire qu'ils sont les plus forts le long de l'axe des fibres. Ainsi, les composites peuvent être façonnés en cadres monoblocs, offrant une résistance là où cela est nécessaire.

Les composants, tels que les roues, les dérailleurs, les freins et les chaînes, sont généralement en acier inoxydable. Ces composants sont généralement fabriqués ailleurs et achetés par le fabricant de vélos.

Le processus de fabrication

Les tubes de cadre sans soudure sont construits à partir de blocs d'acier solides qui sont percés et « étirés » en tubes en plusieurs étapes. Ceux-ci sont généralement supérieurs aux tubes sertis, qui sont fabriqués en étirant des bandes d'acier plates, en les enveloppant dans un tube et en les soudant ensemble le long du tube. Les tubes sans soudure peuvent ensuite être manipulés davantage pour augmenter leur résistance et diminuer leur poids en aboutissant ou en modifiant l'épaisseur des parois des tubes. L'aboutage consiste à augmenter l'épaisseur des parois au niveau des joints, ou des extrémités du tube, où la plus grande contrainte est délivrée, et à amincir les parois au centre du tube, où il y a relativement peu de contrainte. Les tubes aboutés améliorent également la résilience du cadre. Les tubes aboutés peuvent être à simple épaisseur, avec une extrémité plus épaisse ; à double épaisseur, avec les deux extrémités plus épaisses que le centre ; triple épaisseur, avec différentes épaisseurs à chaque extrémité ; et quad-butted, semblable à un triple, mais avec le centre s'amincissant vers le milieu. Des tubes d'épaisseur constante, cependant, sont également appropriés pour certains vélos.

Les tubes sont assemblés dans un cadre par brasage manuel ou soudage à la machine, le premier étant un procédé plus laborieux et donc plus coûteux. Les composites peuvent être assemblés avec de la colle forte ou des liants plastiques. Les composants sont généralement fabriqués à la machine et peuvent être fixés au châssis à la main ou à la machine. Les derniers réglages sont effectués par des constructeurs de vélos qualifiés.

Assemblage du cadre

Adapter les tubes

• 1 Le métal est recuit, ou ramolli par chauffage, et creusé pour former des « creux » ou des « fleurs ». Ceux-ci sont à nouveau chauffés, marinés dans de l'acide pour éliminer le tartre et lubrifiés.
• 2 Les creux sont mesurés, coupés et taillés avec précision aux dimensions appropriées. Les tailles de cadre pour les vélos pour adultes vont généralement de 19 à 25 pouces (48 à 63 cm) du haut du tube de la tige de selle au milieu du support de manivelle.
• 3 Ensuite, les creux sont montés sur un mandrin, ou tige, attaché à un banc de tirage. Pour obtenir le bon calibre, les creux passent à travers des matrices qui les étirent en tubes plus minces et plus longs, un processus appelé étirage à froid.
• 4 Les tubes peuvent être façonnés et effilés dans une variété de conceptions et de longueurs. Les lames de fourche à jauge conique peuvent avoir à subir plus d'une douzaine d'opérations pour atteindre la résistance, le poids et la résilience appropriés.

Brasage, soudage et collage

• 5 Les tubes peuvent être assemblés dans un cadre à la main ou à la machine. Les cadres peuvent être brasés, soudés ou collés, avec ou sans cosses, qui sont les manchons métalliques reliant deux ou plusieurs tubes à un joint. Le brasage est essentiellement un soudage à une température d'environ 1600°F (871°C) ou moins. Des brûleurs à gaz sont disposés uniformément autour des pattes qui sont chauffées, formant un fondant blanc qui fond et nettoie la surface, la préparant au brasage. La charge de brasage est généralement du laiton (alliage cuivre-zinc) ou de l'argent, qui fondent à des températures plus basses que les tubes à assembler. Le mastic est appliqué et en fondant, il s'écoule autour du joint, le scellant.

Alignement et nettoyage

• 6 Les cadres assemblés sont placés dans des gabarits et vérifiés pour un alignement correct. Les ajustements sont effectués alors que le cadre est encore chaud et malléable.
• 7 L'excès de flux et les métaux de brasage sont nettoyés par décapage dans des solutions acides et par lavage et broyage de la brasure jusqu'à ce qu'elle soit lisse.
• 8 Une fois les métaux refroidis, d'autres alignements de précision sont effectués.

Finition

• 9 Les cadres sont peints, non seulement pour créer un aspect plus fini, mais aussi pour protéger le cadre. Le cadre est d'abord apprêté avec une sous-couche puis peint avec un émail coloré. La peinture peut être appliquée par pulvérisation manuelle ou par passage des cadres dans des salles de pulvérisation électrostatique automatique. Les cadres chargés négativement attirent la pulvérisation de peinture chargée positivement lorsque les cadres tournent pour une couverture complète. Enfin, des transferts et de la laque sont appliqués sur le cadre. Le chromage peut également être utilisé à la place de la peinture sur des composants tels que les lames de fourche.

Assemblage des
Composants

Dérailleurs et leviers de vitesses

• 10 Selon le style de vélo, les leviers de changement de vitesse sont montés soit sur le tube diagonal, populaire sur les vélos de course, sur la potence, soit sur les extrémités du guidon. Un câble est attaché, qui s'étend aux dérailleurs avant et arrière. Les dérailleurs avant, qui déplacent la chaîne d'un pignon d'entraînement à un autre, peuvent être serrés ou brasés sur le tube de selle. Les dérailleurs arrière peuvent être montés avec des crochets boulonnés ou des crochets intégrés.

Guidons, potences et jeux de direction

• 11 Le guidon peut être relevé, plat ou abaissé. Ils sont boulonnés à la potence du vélo qui est ensuite montée dans le tube de direction. Les composants du jeu de direction, y compris les roulements, les coupelles et les contre-écrous, sont fixés au tube de direction. Le jeu de direction permet à la fourche de tourner à l'intérieur du tube de direction et facilite ainsi la direction.

Freins

• 12 Les leviers de frein sont montés sur le guidon. Les câbles s'étendent jusqu'aux freins et sont fixés aux étriers. Du ruban adhésif, en plastique ou en tissu, peut ensuite être fixé au guidon et les extrémités sont bouchées.

Selles et tiges de selle

• 13 Les tiges de selle sont généralement en acier ou en alliage d'aluminium et sont boulonnées ou fixées en position. La selle est généralement constituée d'un rembourrage moulé et recouvert de nylon ou de matières plastiques. Bien que le cuir ait longtemps été la norme pour les selles, il est moins utilisé aujourd'hui.

Pédaliers

• 14 Le pédalier supporte les pédales et transfère la puissance des pédales à la chaîne et à la roue arrière. Les pédaliers se composent de manivelles en acier ou en alliage d'aluminium, d'anneaux de chaîne et de l'ensemble de pédalier composé d'axe, de coupelles et de roulements. Ils sont fixés avec des boulons et des capuchons dans le support inférieur du cadre du vélo. Les pédales sont ensuite vissées aux extrémités des manivelles.

Roues, pneus et moyeux

• 15 Les fabricants de roues se conforment au système A J de l'Organisation internationale de normalisation (ISO) pour le diamètre des roues et la taille des pneus. Les roues peuvent être construites par des machines qui roulent des bandes d'acier dans des cercles qui sont soudés dans des jantes. Les jantes sont percées pour accepter les rayons, qui sont entrelacés un tour à la fois entre la jante et le flasque du moyeu.
• 16 Une roue doit être redressée ou redressée dans les directions radiale et latérale pour obtenir une tension uniforme. Ensuite, la doublure de jante, le pneu et la chambre à air sont fixés. La chaîne peut également être montée sur le vélo.
• 17 Les roues arrière sont équipées d'une roue libre, composée de plusieurs pignons et entretoises, qui libère la roue arrière du mécanisme à manivelle lorsque le cycliste arrête de pédaler.
• 18 Les roues sont fixées au cadre du vélo au moyen d'un axe qui traverse le moyeu de la roue. L'axe peut être serré avec des boulons aux extrémités ou avec des broches à dégagement rapide.

Le futur

L'avenir du vélo s'annonce prometteur à l'approche du 20e siècle. Les développements de la technologie du vélo dans les années 1990 ont conduit à des avancées dans la conception des véhicules à propulsion humaine (VPH). La plupart des VPH sont des vélos couchés surbaissés, qui sont plus aérodynamiques que les vélos conventionnels et donc réduisent la traînée et augmentent la vitesse. Les vélos couchés sont également plus sûrs et beaucoup offrent un espace de chargement et une protection contre les intempéries. Un hybride du vélo et de l'automobile appelé Ecocar a commencé à faire son apparition dans les rues européennes dans les années 1990. Conçu par un chirurgien néerlandais, Wim Van Wijnen, il offrait protection contre les intempéries, sécurité, espace pour les bagages, facilité d'entretien, confort et rapidité.

L'utilisation de la technologie informatique a grandement amélioré les capacités de conception des fabricants et des concepteurs. Les concepteurs sont capables de simuler diverses forces agissant sur le vélo, telles que le pédalage et les chocs de la route. Les programmes générés par ordinateur simplifient les tests et les variations de conception sont modifiées plus facilement et plus rapidement.