Protocole d'optimisation pour la conception d'un cadre de bicyclette de type BMX à partir de l'étude biomécanique de l'interface homme-machine

Abstract

Le rôle structurel du cadre est le transfert de l énergie mécanique produite par le cycliste à la roue arrière. Moins le cadre dissipera d énergie plus il sera efficient. Dans la pratique tout-terrain de cyclisme, le cadre est soumis à de fortes sollicitations du pilote et du terrain. En BMX, la conception empirique et les importantes sollicitations du cadre peuvent entraîner des endommagements pouvant aller jusqu à la rupture de certains tubes. L objectif de cette thèse est de proposer un protocole expérimental visant à optimiser la conception d un cadre, grâce à l étude biomécanique de l interaction homme machine. L activité de BMX est choisie comme illustration de ce protocole. Pour cela, l étude se déroule en 2 phases : 1) L étude du cycliste, les forces qu il applique sur le cadre et de l inclinaison latérale qu il provoque lors du pédalage debout sur les pédales ; 2) L étude expérimentale de la déformation du cadre. A l aide de jauges d extensométrie, un modèle numérique d analyse aux éléments finis est validé en condition statique. Puis un système de barre a été conçu pour simuler les forces appliquées sur les pédales par le cycliste, pour étudier la déformation du cadre ; Et enfin, en condition dynamique, la déformation du cadre est étudiée avec un pilote lors de différents tests à l aide de deux pédales instrumentées, d un pédalier instrumenté et de jauges d extensométrie. Les résultats de cette étude montrent que pour le cadre testé le tube de selle est celui qui subit le plus de déformations, et que celles-ci sont fortement liées à la composante verticale de la force appliquée sur la pédaleThe structural role of the bicycle frame is to transfer the mechanical energy produced by the cyclist at the rear wheel. The less the bicycle frame dissipates energy the more it is. In off-road cycling (BMX, mountain bike), high loads are applied on the frame, from the pilot and from the field and the ground reaction. In BMX, the empirical design and the important part of stress can lead to the rupture of some tubes. The aim of this thesis is to propose an experimental protocol designed to optimize the design of a frame, by studying the biomechanics of the human machine interaction. The activity of BMX is chosen as an illustration of this protocol. For this, the study takes place in 2 phases: 1) The study of the cyclist, the forces generated on the bicycle frame and the out of plane bending when he is pedaling standing on the pedals, 2) The experimental study of deformation of the frame. Using strain gages, a numerical model of finite element analysis is validated in static condition. Then a bar system was designed to simulate the forces applied to the pedals by the cyclist in order to study the deformation of the frame. And finally, in dynamic condition, the deformation of the frame is studied during a pilot doing different tests (cycling at various intensities, application of a maximum isometric strength and vertical jump), using two instrumented 3D pedals, an instrumented crank and strain gages. The results of this study show that the higher strain is localized in the seat tube and the strain of the bicycle frame is highly correlated to the vertical component of the pedal force. This protocol can allow understanding the interaction between the rider and the bicycleREIMS-BU Sciences (514542101) / SudocSudocFranceF