Brevet FR2617970A1 — publié le 19890113

La presente invention concerne -un procédé pour mesurer le couple transmis par une roue motrice et en particulier la roue motrice d'une bicyclette. La présente invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. La presente invention concerne aussi un cycle ainsi équipe. La bicyclette prend une importance croissante dans le domaine des sports et également en tant qu appareil d'entrainement special pour l'amelioration des capacites physiques. On 1 'utilise par ailleurs de plus en plus pour le traitement et la readaptation des patients affectes de maladies de circulation et des personnes victimes d accident, cardiaoues. Dans l'execution de tels proqrammes d'entrainement ou de traitement, il serait lnteressant de disposer d'information sur la puissance développée et l énergie depensee par le sujet, car ces ineormations permettent de tirer des resultats sur l'entrainement ou le traitement.De nombreux appareils d'appartement permettent déjà de fournir ces elements. m-ais, par leur principe ils transforment en la mesurant la oui sance mecanique du cycliste en puissance thermique ou electrique. Le but de 1 invention est au contraire de réaliser un appareil de mesure pouvant etre adapte a des cycles autonomes et permettant de mesurer la puissance transmise, sans a transformer ni en affecter la valeur transmise. on connait d'après le FR-A- 2 394 790 un dispositif du genre indique au début dans lequel un galet est appliqué sous la pression d un ressort contre le brin moteur de la chaîne de transmission de la bic--dette. Plus 1 effort transmis par la chaîne est important, plus le n moteur de celle-ci tend a se redresser en comprimant le ressort. Il existe donc une règle de correspondance entre la flèche du ressort et l'effort transmis par le brin moteur de la chaine. Ce dispositif présente de multiples inconvenients. Il est lourd. Ses indications sont imprecises compte tenu des parasites correspondant au vibrations de fonctionnement de la chaine. L'effort mesure est l'effort transmis par la chaine qui, à valeur égale, peut correspondre a des couples différents sur la roue motrice si la bicyclette est equipee d'un dispositif de changements de vitesse. De plus, le dispositif connu introduit un frottement sur la chaîne. On connait également d'apres le FR-A 2 546 297 un dispositif du genre indique au debut dans lequel l'effort transmis est déterminé indirectement par la mesure des grandeurs qui s opposent au deplacement telles que, la pente de la cote, la vitesse frontale du vent, I acceleration. les frottements de roulement. Ce dispositif presente aussi e multiples inconvenients. Ses indications sont imprecises car tes valeur sont calculees à partir de coefficients pris comme etant constants, et ne l'étant pas dans la realite. Le but de l'invention est ainsi de remedier a ces inconvenients en proposant un procede, un dispositif et un cycle gracie auxquels la mesure du couple, ou d une grandeur qui lui est liee, soit effectuée d'une maniere simple, largement insensible aux parasites, independantes du rapport de transmission determine par le mecanisme entrainant la roue, et n'entrainant pas de frottement supplimentaire. Sui-iant l inventicn, le procede pour mesurer le couple transmis par une roue motrice, notamment la roue motrice d'un cycle, ou un grandeur mecanique qui est fonction dudit couple, est caracterise en ce que l'on mesure, par rapport a une position de référence correspondant a un couple nul, le deplacement angulaire, autour de l'axe de la roue, d un piece du moyeu soumise au couple de transmission. On déduit le couple a l'aide d'une règle de correspondance entre ce deplacement et le couple transmis, Far exemple, s'il s'agit d'une pièce en materiau à comportement linaire élastique, le couple sera proportionnel au emplacement angulaire. Si un couple statique est tacile a mesurer, il est par contre beaucoup plus délicat de mesurer un couple sur un arbre tournant sans en affecter le couple transmis. En effet, les systemes à jauge d'elasticimetrie, très repandus, conviennent mal au: arbres tournants:: ils necessitent une liaison par collecteur tournant, ils sont spéciaux, trés chers, encombrants, peu stables et introduisent des rives. Pu contraire, on a cnerche ici un systeme fiable, stable introduisant peu d'hysteresis et ne necessitant pas d'appareillage complique de depouillement ide l'information. Rour mesurer ce couple, on va. comme nous I avons vu précédemment, sol t i citer une place qui se déformera, le problème sera alors de mesurer cette deformation ou Le deplacement (angulaire) de la pièce. Pour introduire cette technique de mesure, on fera une remarque mathematique préliminaire illustree par la figure (1/5). Choisisons 2 courbes (#1) et (#2) inclusent dans une meme enveloppe de révolution (#) d axe Supposons (#1) f fixe par rapport sun repere orthonormé (0, x, y1, z1) O etant un point de l'axe de revolution et #1 materialisant un at:e passant par O et coupant (#1 en Appelons ## le vecteur normé materialisant l'axe orthogonal a ## passant par O. Appelons # l'angle (0, #1, #2). Supposons que ces deux courbes aient été choisies telles que, quelque soit e appartenant å un intervalle continu, elles n'aient qu'un seul point commun B. Par rotation d'angle e autour de l'axe O du repère (O,@, @@, @@) de (r=) par rapport au repère (O, Z, @@) de (Ta), l'abscisse curviligne @@ sera fonction de e et si ces deux courbes sdnt judicieusement choisies, la fonction A@ef(e) peut étre une bijection sur l'intervalle continu précédent. S'il en est ainsi, on pourra trouver une fonction réciproque sur l'intervalle et exprimer le déplacement angulaire relatif e en fonction de l'abscisse curviligne @@. Ainsi, en prenant une pièce soumise a un couple d'axe @ se déformant angulairement suivant l'axe @ et en fixant chacune de ses extrémités respectivement à (@@) et (T2), on pourra, si l'on sait mesurer l'abscisse curviligne, en déduire le déplacement angulaire des éxtrèmités de la pièce et en tirer le couple transmis grace à une règle de comportement entre le déplacement precédent des deux extrémites de la pièce et le couple la sollicitant. Selon un second aspect de l'invention, le dispositif pour la mise en oeuvre du procede ci dessus est caractérisé en ce qu'il possède un moyeu permettant de mesurer l'abscisse curviligne et des moyens pour indiquer le couple transmis ou une grandeur qui lui est liée par l'exploitation de la règle de comportement entre l'abscisse curviligne et le couple transmis. L'abscisse . curviligne pourra etre mesuree facilement, comme on le verra plus loin, avec. par exemple, une resistance electrique materialisant (Ir) et un curseur metallique materialisant (T2). Ainsi, la resistance entre une e::tremite de la resistance et le curseur métallique sera fonction du deplacement angulaire e. Selon un trdsième aspect de l'invention, le cycle équipé du dispositif ci dessus est caractérise- en ce que la pièce sollicitée par un couple est un arbre de torsion D'autres particularités et avantages de I'invention ressortiront encore de la description ci après: -la figure 1 est une illustration du principe de mesure du déplacement angulaire relatif à la description précédente. -la figure 2 est une vue en élévation latérale d'une bicyclette selon l'invention. -la figure , est une vue en coupe avec vue en section SS du moyeu de la roue motrice de la bicyclette de la figure 1 (les liaisons electriques ne sont pas representees, la piece est ramenee dans le plan de coupe). -la figure 4 est une vue en perspective du dispositif permettant la mesure du déplacement angulaire de la figure (pour faciliter la lecture, certaines pièces sont tronquees). -la figure 5 est une coupe partielle du système de la figure 4. -la figure 6 est une vue du scnema bloc du circuit d'évaluation prévu sur la bicy dette de la figure i. -la figure 7 représente l'allure des signaux transmis par le moyeu, par 1 'intermédiaire de se pistes, en t onction du temps. Comme le montre la figure 2, la bicyclette comporte un cadre 1 auquel est articule une fourche 2 supportant en rotation une roue avant . @ Le cadre 1 supporte lui même en rotation autour d'un axe horizontal 4 une roue arrière motrice 6 entrainee en rotation par l'intermédiaire d'une chaine de transmission 7 à partir d'un pédalier 8. Comme le montre la figure 3, le moyeu de la roue arrière à est rayonne å la jante par l'intermediaire de ravons 10. Ce moyeu M est composé d'un arbre If fixe par rapport au cadre materialisant l'axe 4. Cet arbre comporte des écrous, une entret-oise et des coues de roulement a billes 13 et 14. Ce moyeu M comporte egalement un arbre de torsion 9 tournant autour de 1 'arbre 12 par 1 intermediaire du roulement à billes 1. A l'e > :tremite, du cote du roulement 13, l'arbre 9 possede une portée filetee fixant ainsi rigidement a l'arbre 9 la roue libre entrainee par la chaîne 7. La seconde extremite de l'arbre est cannellee. ajustez dans te corps 11 du moyeu M.Ce meme corps ll du moyeu M peut tourner autour de l'arbre 12 par l'intermediaire du roulement a billes 14. Le corps ll du moyeu M peut tourner également autour de 1 'arbre 9 par rapport à son extremite filetee fixant la roue libre, par l'intermediaire du roulement a billes 15' Comme le montrent ta figure et la figure 4, deux demi-cylindres 17 et la en matière plastique sont assembles au moveu M de vis 27 autour de la partie centrale de l'arbre de torsion 9 (voir figure 5).Il existe un jeu entre l'arbre de torsion 9 et les deux demi-cylindres 17 et la, de telle sorte qu'ils puissent tourner librement autour de l'arbre de torsion 9 et d'axe 4. Ces deux demi-cylindres 17 et 18 possèdent un chambrage annulaire intérieur d'axe 4 dans lequel est loge un joint torique en caoutchouc 19, frottant sur l'arbre de torsion 9 à son extrémité comportant les roulements 13 et 15. Ce joint torique 19 entraine par frottement les deux demi-cylindres 17 et 15 en rotation autour de l'axe 4 avec l'extrémité cote roue libre de l'arbre de torsion 9.Les deux demi-cylindres 17 et 18 possèdent chacun une hélice a très grand pas d'axe 4 réalisée sur le diamètre extérieur des deux demi-cylindres 17 et 13 dans laquelle est loge un curseur metallique 29 lequel est relie a un fil conducteur Ca. Deux anneau 16 et 22 sont tiés dans le corps 11 du moyeu M. Ces deux anneaux 16 et 22 sont relies par à tiges filetees 20, parralèles à l'axe 4 et reparties sur les anneaux là et -2, comportant des écrous 21. Deux résidances électriques rectilignes 23a et 23b sont fixees parraîlélement a l'axe 4 sur le diamètre interieur des anneaux lj et 22 et tendues selon l'axe 4 au moyen des écrous 21 et des tiges filetees 20. Un fil de nylon 28 est tendu conformement à la figure 4 et a la figure 5 entre deu:: tiges tiletees 20 et une resistance de de telle sorte que le brin tendu du til de nylon 28 se trouvant entre les deux tiges tiletees 20 et en contact avec la resistance 2, soit incurve par la réaction de la resistance 23. L'ensemble precedent (16, 20, 21, 22, 23, 28) est loge autour de l'axe 9 muni de ses deux demi-cylindres 17 et 18 et de ses résistances 23a et -Zb. Ces deux sous ensembles sont .ales angulairement l'un par rapport a l'autre de telle sorte que chaque curseur metallique 29 se trouve bien en contact avec une resistance rectiligne électrique 2Z. Ce contact se trouve bien assure par l'intermédiaire du fil de nylon 28 qui, par sa réaction, plaque la résistance électrique sur le curseur en hélice. Ainsi esquivant la description de la technique de mesure de deplacement angulaire vue precedemment), la resistance électrique entre C1 et C2 sera fonction de ce deplacement angulaire des deux demi-cylindres 17 et 18 par rapport au corps Il du moyeu M. Le pas de l'hélice de ces deux demi-cylindres 17 et 18 étant constant, la relation liant la résistance électrique entre C, et C2 et le déplacement angulaire, sera linéaire, l'arbre de torsion 9 ayant un comportement linéaire réversible en torsion: la résistance électrique entre C etC = sera donc fonction linéaire du couple de torsion transmis par l'arbre de torsion 9.Il est ensuite facile, par exemple, grâce a un montage potentiométrique, de convertir l'information sous forme de tension ou d'intensité Il a été disposé sur le corps 11 du moyeu quatre pistes circulaires métalliques 4a et 24b, 25 et 26, reliées respectivement aux deux extremites des résistances rectilignes et au curseur métallique, 1 ensemble étant fixe au corps 11 du moyeu M par l'intermédiaire de résiné 30.Les deux pistes 24a et 24b ne torment qu'une seule pièce 24 mais l'une des deux pistes est cannelée (voir tigure 2 section SS), pour permettre, comme on té verra plus loin, de déterminer la vitesse. Ces quatre pistes 24a, 24b, 25 et "s, tournent donc autour de l'axe 4 avec le corps 11 dé moyeu M: quatre curseurs (non representes), fixes par rapport à l'axe 12, donc fixes par rapport au cadré 1, trottent sur chacune des pistes 24a, 24b, 25 et à et transmettent les intormations électriques par l'intermédiaire d'un cable électrique quadrifilaire 31 (represente de façon schematique sur la figure 2) au système de traitement, (de stockage) et d'affichage de l'information 2, fixe par exemple au guidon J. Ce cysteme de traitement, (de stockage) et d'affichage de l'information 32, reçoit des informations par l'intermédiaire des pistes circulaires 24a et 24b et de liaison quadrifilaire 31.Ces informations pourront être perçues par l'intermediaire d'un simple montage potentiometrique avec un systeme de mise a zéro (34) qui transmet ses intormations par l'intermédiaire d'un signaL 38 a un convertisseur analogique/numerique 35 qui est interface a un microprocesseur â muni de ses circuits annexes, lequel traitera les intormations pour en afficher les résultats. Les résultats peuvent être les suivants: Le couple auteur C transmis par la roue motrice à peut être directement donné après réglage de séro 44 réalisé a couple moteur nul et d'un coetficient de proportionnalité, fonction du pas de l'hélice des dew demi-cylindres 17 et 18, ainsi que des dimensions géométriques de l'arbre de torsion 9 et du module d'élasticité en torsion du matériau le composant. On rappelle que la déformation angulaire e d'un arbre de torsion en matériau linéaire réversible, verifie la relation suivante: déformation angulaire (radians) L longeur de l'arbre (m) C couple de torsion (N.m) G module d'élasticité en torsion (N.m-2.rad-1) lo moment quadratique de l'arbre par rapport a' son axe (m2) D diamètre extérieur de la section Cm > diamètre intérieur creux. de la section (m) abscisse sur l'arbre 4 de rotation (ml La vitesse de deplacement V du cycle eut et""- obtenue en analysant la fréquence du signal transmis par la piste cannellée 24a, reliée a la masse par l'intermédiaire d'une résistance 7 donnant ainsi un signal analogue à la figure 7, courbe 24a. Il est nescessaire d'introduire par le clavier 40 une constante représentant la circonference de la roue pour obtenir une valeur juste de la vitesse.La vitesse moyenne et la vitesse maximale peuvent être relevees depuis un instant de référence, qui a été commandé sur le clavier 40 du boitier La distance parcc > urue pourra être obtenue en intégrant la vitesse depuis l'instant de référence commandé sur le clavier 40 du boitier 32; il suffit donc au microprocesseur à, de compter le nombre de créneaux reorésentes -sur la figure 7 courbe 24a et d en déduire la distance parcourue, connaissant la circonference de la roue. la puissance développée P peut être obtenue en multipliant la valeur du couple moteur transmis par la roue motrice 6, par la vitesse de rotation de cette meme roue z. La puissance immédiate peut ainsi être affichée. La puissance moyenne et la puissance manimale depuis l'instant de référence, peuvent également être memorisées et affichées. L'energie dépencée W depuis le même instant de reference commandé sur le clavier 40 du boîtier -.-, est obtenue en intégrant la puissance développée, depuis l'instant de référence jusqu'au temps de lecture. Le rythme de pedalage N peut etre déterminée remarquant d la figure 7 que le couple C transmis par la roue arriéré motrice b, a une allure sinusoidale qui est rue au mouvement alternatif engendré par le pedalage transmis par le pedalier 8. La rythme de pedalage N est donc obtenu en analysant la fréquence d'irrégularité du couple C moteur. Tous ces résultats peuvent être affiches sur l'écran 41 de façon parrallèle (tous ensemble) soit de façon multipléxée (l (l'un après l'autre) ou encore à la demande de l'utilisateur par l'intermédiaire du clavier 40 ou autre. L'alimentation 39 du boitier 2 pourra entre effectuée au moyen d'une pile, de capteurs solaires ou d'un générateur électrique entrains par le cycliste. On- va maintenant décrire le fonctionnement de la bicyclette en y incluant la description du procede de l'invention. Au repos, en l'abscence de couple C transmis, l'arbre de torsion 9 n'est pas déforme; le réglage de la mise à zéro (.4) permet d'effectuer la mise à zéro du couple C.Lorsque la chaine 7 transmet un couple C de rotation á la roue S, l'arbre 9 se deforme, entraînant avec lui les deux demi-cylindres 17 et 18, en rotation d'axe 4 par rapport au corps il du moyeu M: les deux points de contact respectivement entre le curseur métallique 29a et la résistance Ta -t entre le curseur metallique -?b et la résistance -=b, se déplacent le long de l'hélice et de la résistance, provoquant ainsi, une variation e la tension du signal 26 et donc du signal 7.8 corrigé par la remise à zero), en fonction du couple C transmis. Comme on l'a vu précédemment, la vitesse V est déduite de la fréquence du signal provenant de la piste circulaire cannelée 24a. Les grandeurs telles que, la puissance P, l'énergie dépensée W, la distance parcourue ou le rythme de pédalage N, peuvent egalement ètre calculées. L'invention est applicable a d'autres roues et d'autres types de véhicules, notamment les cycle automoteurs. - REVENDICATTONS - 1. Procède pour mesurer le couole transmis (C) par une roue motrice (6L notamment la roue motrice d'un cycle, ou une grandeur mécanique associée (P. W. N) qui est fonction audit couple, caractérisé en ce que l'on détecte l'écart angulaire (#) autour de l'axe (4) de la roue (6) entre un région du moyeu (M) entraînée et contrainte en rotation par le système de transmission (7,8) considère comme amont a la roue motrice (à) et une autre région du moyeu (M), entraînée et contrainte par la région précédente et entraînant la partie aval de la roue motrice (6).Ces deux régions du moyeu (M) sont donc considerées par rapport au moyeu (M) comme "menante" pour la première et "menée" pour la seconde. Cet écart angulaire (#) est mesure par rapport a une position angulaire relative de référence, correspondant à un couple nul. et on detemine lé couple (C) ou la grandeur P, W. N) qui lui est liee, en exploitant une règle de correspondance prédéterminée entre l'écart angulaire (#) détecté et le couple (C) qui l'engendre. Procédé selon la revendication 1. caractérisé en ce que, pour détecter l'ecart angulaire (#), on détecte le (s) déplacement (s) (ee) par rapport à une position de référence du ou des, point (s) de contact (B) entre deux courbes (#) r=), appartenant a une même enveloppe de révolution (fi) d axe (4), l'une (#) appartenant à une région "ménée" (#) du moyeu (M) et l'autre, (#), appartenant à la région "menante" du moyeu (M) (selon les termes de la revendication 1).On détecte l'écart angulaire (#) par l'éploitation d'une règle de correspondance entre le (s) déplacement (s) (ee) du/des point (s) de contact et l'écart angulaire(#). r. Dispositif ocar la mie -n oeuvre ou orocede Selon. ce revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le déplacement du point de contact (ee) soit réalisé électriquement en matérialisant (#) et/ou (#) par un matériau électriquement resistif et déduisant le déplacement (ee), relativement à la position de référence, du point de contact (B) par l'exploitation. d'une règle ce correspondance avec la résistance électrique entre åeu: points fixes, l'un appartenant à la premiére courbe (#) l'autre appartenant à la deuxième courbe (#). 4. Dispositif selon les revendications I, 2 caractérise en ce que les courbes (rX et r= > énoncées dans la revendication 2, soient au moins une hélice cylindrique (#) 3 et une-droite (r=) parallèle à l'axe t4) de la roue (6). 5. Dispositif selon les revendications 1, 2, ~ et 4 caractérisé en ce que le moyeu (M) comporte un arbre de torsion. Disoositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (36) pour déduire, a partir des irrégularités du couple (C), le rythme de pédalage (N) ou cycliste. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il possède un moyen (36) pour détérminer à partir d'un signal sensiblement binaire, smis par un collecteur tournant (24, 25, 26) , la vitesse (v) d'avancement du cycle et/ou une grandeur qui lui est liée. 8. Dispositi+ selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble caractérisé en ce qu il comporte une alimentation électrique à pile. 9. Dispositif selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble caractérisé en c- que l'unité d d'entre possede un clavier (40) destiné a selectionner et afficher les differents signaux de sortie du circuit d'analyse (36).