Brevet FR2689589A1 — publié le 19931008

La présente invention est du domaine de la mécanique et elle a pour objet un dispositif variateur de vitesse, notamment destiné à la propulsion des cycles, mais applicable généralement à toute transformation d'un effort musculaire. Le but de l'invention est de proposer un mécanisme relativement simple et léger, -autorisant un réglage du taux de multiplication ou de démultiplication d'un effort ou d'un mouvement. On connaît pour les bicyclettes, les mecanismes, dits dérailleurs, grâce auxquels le cycliste peut choisir entre par exemple huit rapports de démultiplication ; on connaît bien entendu depuis plus longtemps encore les bicyclettes qui n'ont qu'un plateau de pédalier et qu'un pignon de roue arrière ; il est à noter que parmi ces dernières, certaines bicylettes, dites de piste, ont un rapport de démultiplication si grand qu'il est nécessaire de pousser le cycliste lors du démarrage. Ce fût l'un des buts poursuivis par le présent Demandeur que de doter les bicyclettes de piste d'un dispositif variateur à taux réglables, afin de ne pas encombrer la bicyclette d'une multitude de pignons. Selon la présente invention, un dispositif variateur de vitesse, destiné notamment à la propulsion des bicyclettes, disposé entre un arbre d'entrée de couple et un arbre de sortie de couple, est caractérisé d'une manière générale en ce qu'il comprend un premier élément d'engrenage, dit solaire, en forme de roue dentée, solidaire de l'arbre de sortie supporté en rotation par un palier fixe par rapport à un bâti, au moins un deuxième élément d'engrenage, dit planétaire, en forme d'au moins une roue dentée libre en rotation autour d'un axe lui-même solidaire d'un organe dit plateau solidaire d'un arbre d'entrée dit vilbrequin, supporté en rotation par un palier fixe par rapport à un bâti ; un troisième élément d'engrenage, dit de liaison, dans lequel engrènent l'élément planétaire et l'élément solaire, un organe, dit régulateur, faisant prise directement ou indirectement sur l'élément de liaison pour en régler la vitesse de défilement par rapport au bâti. Il résulte de cette disposition, comme on le comprendra lors de. la description de formes de réalisation, que l'on peut obtenir une multiplication à taux variables, dans de grandes proportions, de la vitesse de rotation de l'arbre de sortie, c'est-à-dire du plateau de pédalier et inversement une démultiplication tout aussi importante du couple, et vice versa. La présente invention sera mieux comprise et des détails en relevant apparaîtront à la description qui va être faite de formes particulières de réalisation, en relation avec les figures des planches annexées dans lesquelles La fig.l est une illustration schématique d'une transmission à chaîne à rapport variable pour bicyclette, La fig.2 est une représentation analogue d'une transmission à rapport fixe pour bicyclette dite de piste, Les fig.l et 2 illustrent l'art antérieur en matière de transmission pour bicyclette, La fig.3 est une illustration partielle en perspective d'une transmission à chaîne d'un premier type, relevant de l'invention, La fig.4 est une illustration analogue aux fig.l et 2, illustrant la transmission de la fig.3, La fig.5 est une représentation simplifiée de certains organes de la fig.3, La fig.6 est une représentation analogue à la fig.5, d'une transmission à chaîne du premier type, dans laquelle le sens d'engrenage de la chaîne est inversé par rapport à celui de la fig.5, La fig.7 est une représentation analogue à celle de la fig.6 dans laquelle la chaîne présente une configuration quasi circonférencielle, La fig.8 est une extrapolation de la figure précédente, et établissant la relation de cette dernière avec la figure suivante, La fig.9 illustre un engrenage de type épicycloidal, La fig.10 illustre une application conforme à l'invention de la transmission de la figure précédente à une bicyclette, Les fig.ll à 15 illustrent différents exemples d'organes régulateurs. La fig.16 comparable aux fig.5 et 6, est une illustration simplifiée d'une transmission à chaîne de l'invention, relevant d'un deuxième type, La fig.17, est la schématisation de la transmission de la fig.ll, La fig.18, comparable à la fig.16, illustre un second mode de réalisation d'une transmission du deuxième type, La fig.l9 représente en perspective un élément de la transmission de la fig.18, et La fig.20 est la schématisation de la transmission de la fig.l9. La fig.21 est une illustration comparable à la fig.5 d'une transmission analogue, La fig.22, analogue à la précédente, illustre un perfectionnement du même mécanisme portant sur la prise des moyens régulateurs, et La fig.23 est la schématisation du mécanisme de la figure précédente. Sur la fig.l, une transmission classique pour bicyclette de cyclo-tourisme comprend un pédalier 051 et une transmission pour transmettre l'effort sur l'élément d'engrenage que constitue la chaîne 31. Pour simplifier dans un premier temps la description, on supposera que 4 est un lien souple, inextensible, par exemple une chaîne comparable à la chaîne 31, et reliée au bâti 7. En relation avec les fig-.4 et 5, le fonctionnement des moyens de la figure précédente peut être décrit comme suit : Lorsque le pédalier 51 et le plateau 20, solidaires, tournent dans le sens indiqué par les flèches, la chaîne, immobilisée par le lien 4, induit un mouvement en sens inverse de la roue solaire 1, mouvement qui est transmis par le moyeu 6 à la roue de sortie 8, puis par la chaîne 81 à la roue arrière. Si N1 est le nombre des maillons de la chaîne et N2 le nombre de dents de la roue solaire, le rapport de transmission sera égal à NI - N2 N2 on conçoit ainsi que l'on peut, grâce au nombre élevé des maillons d d'une chaîne et à son faible encombrement, ac- croître le rapport NI- N2 et obtenir une multiplication N2 considérable du rapport de transmission ; c'est là un premier avantage de l'invention dans ses applications aux transmissions des efforts musculaires. Cependant, on conçoit aussi que si au lieu d'immobiliser la chaîne, on la laisse filer tout en immobilisant la roue solaire, la rotation du pédalier se traduira par une vitesse linéaire nulle du bâti (bicyclette) ; dans ce cas limite, on aura une démultiplication infinie de l'effort. On conçoit donc, qu'entre l'immobilisation complète de la chaîne et sa libération complète, il existe une gradation infinie du taux de transmission fonction de la vitesse de défilement de la chaîne. On a noté aussi que la rotation de la roue solaire entait inversée par rapport à celle du pédalier ; c'est pourquoi il a fallu inverser le sens d'attaque de la chaîne 81 sur le pignon arrière comme cela est représenté en fig.4, afin de retrouver l'effet habituel de l'effort sur les pedales. L'effet d'inversion précité peut être corrigé, comme cela apparaît sur la disposition de la fig.6, par une inversion du côté d'attaque de la roue solaire par la chaîne 31. Un autre avantage de cette disposition réside dans un meilleur enveloppement -de la roue solaire par la chaîne, ainsi que dans une implantation plus symétrique de la chaîne. Cette dernière disposition est représentée idéalement par les fig.7 et 8. On peut dès lors admettre que la chaîne puisse être rigide et se présenter, dans la mesure où elle serait complètement circulaire et continue, comme une couronne dentée ; cependant, étant continue, il sera nécessaire qu'un pignon intermédiaire assure sa relation avec la roue solaire. C'est cette fonction que remplissent les satellites 32' (fig.8). Sur la fig.9, qui reprend les dispositions de la figure précédente, des satellites 32' supportés en rotation sur eux-mêmes par un plateau 20, engrènent respectivement l'un dans l'autre, dans la couronne 32' et dans la roue solaire I ; sans doute que dans ce cas on retrouve la configuration d'une transmission épicycloïdale conventionnelle ; cependant, on reconnaît dans le lien 4, reliant la couronne 32' (élément de liaison) au bâti 7, l'organe régulateur défini plus haut. La fig.10 fournit, par rapprochement avec les fig.1,2 et 4, le schéma de l'application à une bicyclette d'une transmission épicycloidale. Sur la fig.ll, un organe régulateur 41 est d'un type réglant de façon constante la vitesse de défilement du troisième élément à une valeur choisie ; c'est par exemple un patin agissant par frottement ; ce peut être aussi un mécanisme du type à échappement à fréquence réglable. Sur les deux figures suivantes (fig.12 et 13), le régulateur est d'un type réglant de façon progressive la vitesse de défilement du troisième élément, entre une vitesse angulaire égale à celle de l'arbre d'entrée et une vitesse angulaire nulle (blocage du troisième élément). Par exemple, fig.12, le régulateur est un ressort hélicoïdal 42 relié au bâti (cadre) à l'une de ses extrémités et par un câble à un point du troisième élément à son autre extrémité. Par exemple encore, fig.l3, le ressort est un ressort en spirale 43 dont le boîtier rotatif peut engréner par une denture extérieure, dans une denture du troisième élément 3. Sur la fig.l4, le régulateur met en oeuvre un engrenage irréversible du type vis d'Archimède 44 à vitesse contrôlable par un petit moteur auxiliaire 46. Sur la fig.15, le régulateur comprend un génerateur et un accumulateur d'énergie développant un potentiel de force s'exerçant à l'encontre du défilement du dit troisième élément ; dans le cas de la figure, l'accumulateur est un accumulateur oléopneumatique 457 et le dit générateur une pompe 456 réversible puisant dans une réserve de fluide 458 et étant entraînée par le dit troisième élément d'engrenage 3. Dans un autre cas de figure, non représenté, l'accumulateur pourrait être une batterie voltaique et le dit génerateur une dynamo entraînée par le dit troisième élément d'engrenage. On notera que dans les fig.ll à 15, on a schématisé par une circonférence l'élément de liaison 3 ; dans la réalite, on associera à la chaîne dont la conformation ne pourrait être que difficilement circulaire, un moyen de liaison associé, de forme circonférencielle, qui sera en relation positive avec la chaîne cette forme circonférencielle conditionne la constance de l'effet des moyens régulateurs. Sur les fig.l6 et 17, qui illustrent un dispositif du deuxième type, c' est-à-dire du type dans lequel l'élément de liaison est contenu dans le périmètre de la denture de la roue solaire, qui dès lors est conformée en couronne à denture intérieure, l'éliement de liaison ou troisième élément, est une chaîne 31 tendue entre deux satellites 21 constituant le deuxième élément et contenue à l'intérieur du premier élément. On observera que, dans le cas de la figure, le nombre des maillons de la chaîne est visiblement inférieur au nombre des dents de la couronne solaire, mais qu'il n'y a là aucune nécessité constructive et que, moyennant des satellites de renvoi, la longueur de la chaîne -permettrait d'avoir un nombre de maillons plus grand. Sur les fig.18 à 20, dans un dispositif encore du deuxième type, le dit premier élément est une couronne à denture intérieure et le dit troisième élément est une pièce en forme de cuvette cylindrique dont la paroi latérale comporte une denture externe et est suffisamment souple pour pouvoir être déformée elliptiquement par un couple de satellites diamétraux, le fond circulaire de la cuvette étant conformé pour permettre la prise du dit organe régulateur, Sur la fig.21, un dispositif du premier type diffère de celui de la fig.3, par le fait que la chaîne 31, tendue par deux satellites 24, fait prise sur deux côtés de la roue solaire 1. Sur les fig. 22,23, le mécanisme de transmission de la figure précedente est complété par une couronne 46, coaxiale avec la roue solaire 1, qui engrène dans la chaîne 31, couronne sur laquelle font prise les moyens régulateurs 4. On notera que, sans sortir du cadre de l'invention, les chaînes formant l'élément de liaison pourraient être, avec cependant quelques désavantages, remplacées par des courroies et des roues crantées par des poulies, chaînes et courroies constituant des moyens équivalents au regard du pressent concept inventif. On notera aussi que dans la plupart des dispositions constructives proposes, les mécanismes de variation sont réversibles, du pédalier à la roue arrière 024 ; la transmission comprend elle-même trois éléments d'engrenage, un double plateau 021, une chaîne 022 et un triple pignon 033 ; des moyens bien connus, dits dérailleurs, permettent de choisir l'un des pignons et l'un des plateaux. Sur la fig.2, la transmission d'un vélo de piste se réduit à un plateau unique 025 de grande diamètre, la chaîne et un petit pignon de roue arrière ; on sait que dans le cas des -vélos de piste, le rapport de transmission est si grand qu'il est nécessaire de pousser le "pistard" lors de son démarrage. On devra avoir noter à la description qui vient d'être faite le symbolisme attaché aux roues dentées (plateaux et pignons) et à la chaîne, symbolisme que l'on retrouvera plus loin dans certaines figures schématiques. Sur la fig.3, une transmission de l'invention, appliquée à une bicyclette, comprend un plateau 20 solidaire du vilbrequin 5 du pédalier 51 ; le plateau 20 supporte sur sa face arrière (sur la figure) un couple de roues dentées folles 2. Un moyeu 6 formant palier pour le vilbrequin, est solidaire à chacune de ses extrémités d'une roue denture, dite solaire, Il et d'une roue dentée de sortie 8 ; le moyeu 6 constituant un arbre de sortie de la transmission est lui-même monté rotatif dans un palier solidaire d'un bâti (cadre s'il s'agit d'une bicyclette), la roue solaire 11 constituant un premier élément d'engrenage est coplanaire avec les roues dentées 2, dites planétaires, constituant un deuxième élément d'engrenage un troisième élément d'engrenage, dit de liaison, est constitué par une chaîne 31 engrenant dans les satellites et dans la roue solaire. La roue dentée de sortie 8 engrène elle-même dans une chaîne 81, qui engrène sur un pignon de la roue arrière ; un élément tout à fait caractéristique de l'invention, est constitué par un lien 4 faisant prise c'est-à-dire que les arbres d'entrée et de sortie sont permutables, avec inversion des rapports ; on notera enfin qu'il importe peu que les roues des satellites soient dentées ou lisses. Enfin, dans une forme de réalisation non représentée sur les dessins, proche par exemple de celles des fig.16, 21 et 22, un ou plusieurs des satellites 21,22 ou 24 peut être jumelé à un satellite cranté pour engréner dans une roue, intérieure ou extérieure, coaxiale à l'enveloppe du satellite, de façon à pouvoir maîtriser (interdire, autoriser ou contrôler) la rotation des satellites sur eux-mêmes. Bien que l'on ait décrit et représenté des formes préférées de réalisation, il doit être compris que la portée de la présente invention n'est pas limitée à cette forme mais qu'elle s'étend à tout dispositif comportant les caractéristiques énoncées plus haut. REVENDICATIONS 1.- Dispositif variateur de vitesse, destiné notamment à la propulsion des cycles, disposé entre un arbre d'entrée de couple et un arbre de sortie de couple, caractérisé en ce qu'il comprend - un premier élément d'engrenage, dit solaire, en forme de roue dentée solidaire de l'arbre de sortie supporté en rotation par un palier fixe par rapport à un bâti ; - au moins un deuxième élément, dit planétaire, en forme d'au moins une roue libre en rotation autour d'un axe supporté par un organe, dit plateau, solidaire de l'arbre d'entrée, dit vil brequin, supporté lui-même en rotation par le palier fixe par rapport au bâti ; - un troisième élément d'engre nage, dit de liaison, dans lequel engrènent l'élément planétaire et l'élément solaire, le troisième élément d'engrenage étant dit, suivant le cas, chaîne ou cou ronne - un organe dit régulateur fai sant prise sur l'élément de liaison pour en régler la vitesse de défilement par rapport au bâti d'où il résulte que l'on obtient une multiplication de la vitesse de rotation de l'arbre de sortie et inversement une démultiplication du couple, et vice versa 2.- Dispositif variateur de vitesse selon la revendication 1, caracterisé : en ce que le dit troisième élé ment d'engrenage constitué par une chaîne encrante, sur la même de ses deux faces, dans la roue solaire (premier élément d'engrenage) 3.- Dispositif variateur de vitesse selon la revendication 1, caractérisé : en ce que le dit troisième élé ment d'engrenage, constitué par une chaîne, encrante, sur l'une de ses deux faces dans la roue solaire, son autre face étant en contact avec les satellites 4.- Dispositif variateur de vitesse selon la revendication 1, caractérisé : en ce que le dit premier élément est une couronne à denture intérieure, et en ce que le dit troisième élé ment est une chaîne tendue entre au moins deux satel lites constituant le dit deuxième élément, et contenue à l'intérieur du périmètre du premier élément 5.- Dispositif variateur de vitesse selon la revendication 1, caractérise : en ce que le dit premier élément est une couronne à denture intérieure, en ce que le dit troisième élé ment est une pièce en forme de cuvette cylindrique dont la paroi latérale comporte une denture externe et est suffisamment souple pour pouvoir être déformée elliptiquement par un couple de satellites diamétraux, le fond circulaire de la cuvette étant conformé pour permettre la prise du dit organe régulateur ; 6.- Dispositif variateur de vitesse selon la revendication 1, caracterisé : en ce que le dit régulateur agit sur l'organe de liaison à la manière d'un frein à frottements ; 7.- Dispositif variateur de vitesse selon la revendication 1, caractérisé : en ce que le dit régulateur est d'un type réglant de façon constante la vitesse de défilement du troisième élément à une valeur choi sie ; 8.- Dispositif variateur de vitesse selon la revendication 3, caractérisé : en ce que le dit régulateur met en oeuvre un engrenage irréversible du type vis d'Archimède à vitesse contrôlable 9.- Dispositif variateur de vitesse selon la revendication 1, caractérisé : en ce que le régulateur est d'un type réglant de façon progressive la vitesse de défilement du troisième élément, entre une vitesse angulaire égale à celle de l'arbre d'entrée, et une vitesse angulaire nulle (blocage du troisième élément) 10.- Dispositif variateur de vitesse selon la revendication 2, caractérisé : en ce que la chaîne engrène sur l'une de ses faces sur la roue solaire et sur son autre face dans une couronne dentée intérieurement sur laquelle fait prise le régulateur.