Brevet FR2747935A1 — publié le 19971031

Dispositif de stabilisation pour objets ludiques naturellement instables. La présente invention se rapporte à un dispositif de stabilisation pour objets ludiques naturellement instables, permettant de conserver la verticalité desdits objets, ceuxci étant plus particulièrement de type moto. II existe, dans la panoplie des jouets ou objets à usage ludique, quelques exemples de systèmes ou de procédés visant à stabiliser ceux-ci lorsqu'ils sont naturellement instables, c'est-à-dire ayant tendance à tomber lorsqu'ils sont posés sur leur base d'appui. La toupie non tournante, qui repose sur sa base d'appui en un point, est un exemple d'objet répondant à cette définition, tout comme la moto à l'arrêt qui, elle, repose sur les deux points de contact réalisés par ses deux roues avec le sol. Le mode de stabilisation de la toupie, qui consiste à lui imprimer une rotation autour de son axe de symétrie, est bien connu. La stabilisation des jouets de type moto peut être obtenue de différentes façons: - dans le cas où la fourche supportant la roue avant comporte un axe de pivotement sensiblement vertical, la stabilité dynamique est assurée en faisant rouler la moto soit grâce à une impulsion délivrée par le joueur sur celle-ci, soit grâce à des mécanismes à friction ou encore des moteurs électriques. En effet, les efforts engendrés par la fourche autour de son axe de pivotement, grâce à la rotation de la roue avant, permettent de garantir la stabilité dynamique du jouet à l'instar d'une moto grandeur nature. - dans le cas où la fourche supportant la roue avant ne comporte pas un axe vertical de pivotement, la stabilité dynamique ne peut pas être assurée. La présence d'un troisième appui est alors nécessaire pour éviter à la moto de chuter. Ce troisième appui est généralement constitué par des stabilisateurs à roulettes situés de part et d'autre du jouet. Pour les deux types de montage de fourche, la stabilité à l'arrêt est assurée par une béquille que l'enfant doit actionneur, par des proéminences latérales ou des stabilisateurs à roulettes tels qu'ils viennent d'être décrits, sur lesquels s'appuie le jouet lorsqu'il est incliné de quelques degrés par rapport à la verticale. Le principal inconvénient de cet existant est de devoir recourir à un troisième appui pour assurer, dans tous les cas, I'équilibre statique, ainsi que l'équilibre dynamique lorsque la fourche ne comporte pas d'axe de pivotement. Cet équilibre est généralement précaire du fait soit de la faible largeur des béquilles, soit de l'inclinaison nécessaire à la mise en appui sur les proéminences ou sur les roulettes. Afin de remédier à ces inconvénients, I'invention a pour objet un dispositif permettant de supprimer le troisième appui tout en garantissant la stabilité à l'arrêt dans une position verticale. L'invention a également pour objet un dispositif de stabilisation permettant à un jouet du type moto muni d'un fourche fixe d'être pourvu d'une bonne stabilité dynamique. Selon l'invention le dispositif de stabilisation pour objets ludiques naturellement instables comporte un ensemble gyroscopique, muni d' un disque d'inertie couplé à un organe d'entraînement. Selon une autre caractéristique de l'invention l'ensemble gyroscopique est monté à pivotement autour d'un axe sensiblement vertical par l'intermédiaire d'axes déformables en torsion solidaires de l'ensemble gyroscopique à une de leur extrémité, et à un chassis à leur autre extrémité. Selon une autre caractéristique de l'invention l'ensemble gyroscopique est monté à pivotement autour d'un axe sensiblement vertical par l'intermédiaire d' axes solidaires de l'ensemble gyroscopique coopérant avec des paliers cylindriques portés par le chassis. Selon une autre caractéristique de l'invention l'ensemble gyroscopique est muni d'une lame élastique se prolongeant à l'extérieur d'un habillage de l'objet, et sensiblement perpendiculaire à un axe vertical. Selon une autre caractéristique de l'invention la lame élastique comporte, à son extrémité, un élément d'habillage figuratif. Selon une autre caractéristique de l'invention un ressort de rappel est relié, par une extrémité, à un point du chassis, et par une autre extrémité à un point de l'ensemble gyroscopique. Selon une autre caractéristique de l'invention une pièce relais ajourée est disposée entre une extrémité du ressort et un point de l'ensemble gyroscopique. Selon une autre caractéristique de l'invention l'organe d'entraînement du disque d'inertie est un moteur électrique raccordé à une alimentation électrique par l'intermédiaire d'éléments conducteurs et d'un interrupteur. Selon une autre caractéristique de l'invention les éléments conducteurs sont constitués partiellement par les axes déformables. Selon une autre caractéristique de l'invention des extrémités des axes déformables sont portées par l'habillage. Selon une autre caractéristique de l'invention l'habillage se substitue au chassis et supporte les composants qui sont rattachés audit chassies. Selon une autre caractéristique de l'invention des éléments de centrage des parties mobiles de l'habillage coopèrent avec un élément d'orientation de l'ensemble gyroscopique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'exemples de réalisation d'un dispositif de stabilisation en référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 représente une vue en élévation latérale d'un objet ludique muni d'un dispositif selon l'invention. La figure 2 représente une vue de dessus d'un objet ludique muni d'un dispositif selon l'invention. La figure 3 représente une vue suivant F d'un objet ludique muni d'un dispositif selon l'invention. La figure 4 représente une vue de dessus d'un objet ludique muni d'un dispositif selon l'invention et d'un moyen de calage initial du gyroscope. Les figures 5a et 5b représentent les conventions de notation utilisées dans les calculs. La figure 6 représente une vue en élévation latérale d'un mode de réalisation du système de rappel par ressort du gyroscope. La figure 7 représente une vue de dessus d'un mode de réalisation du système de rappel par ressort du gyroscope. La figure 8 représente une vue en élévation latérale d'un autre mode de réalisation du système de rappel par ressort du gyroscope. La figure 9 représente une vue en élévation latérale d'un système de guidage en pivotement de l'ensemble gyroscopique utilisant des axes déformables. La figure 10 représente une vue suivant F d'un objet ludique équipé du dispositif de stabilisation selon l'invention, et d'axes déformables pour le guidage en pivotement de l'ensemble gyroscopique fixés sur le chassis. La figure 1 1 représente une vue suivant F d'un objet ludique équipé du dispositif de stabilisation selon l'invention, et d'axes déformables pour le guidage en pivotement de l'ensemble gyroscopique fixés sur l'habillage. Afin d'en améliorer la compréhension, I'invention sera appliquée, dans la description qui suit, à un jouet de type moto. Cependant, le système de stabilisation peut également être appliqué à tout objet ludique possédant le même type d'instabilité naturelle qu'une moto à l'arrêt, ou en mouvement lorsqu'elle est dépourvue d'une fourche comportant un axe sensiblement vertical de pivotement. Tel que représenté à la figure 1, le jouet est constitué d'un chassis 1 reliant rigidement une roue avant 2 montée à rotation autour d'un axe 2', parallèle à la direction OY, à une roue arrière 3 montée à rotation autour d'un axe 3', parallèle à la direction OY. Selon un second mode de réalisation non représenté, la roue avant 2 peut être montée sur une fourche montée à pivotement sur le chassis 1 autour d'un axe sensiblement vertical. Les roues 2 et 3 sont en contact avec la base d'appui P par l'intermédiaire des points Cl et C2. Un habillage 10, solidaire du chassis 1, permet de personnaliser le jouet. Cet habillage 10 peut se présenter sous une forme libre, dépendant de contraintes d'esthétique. Préférentiellement, il adoptera ici la forme d'une moto, chevauchée par un pilote. Lorsque sa résistance le permet, I'habillage 10 peut avantageusement remplacer le chassis 1. Les composants qui sont rattachés au chassis 1 peuvent alors être directement raccordés à l'habillage 10. Cette hypothèse sera prise en compte dans la suite de la description. Selon un mode de réalisation non représenté, le jouet peut être équipé d'un système de propulsion tel qu'un mécanisme à friction ou un moteur électrique, connu en soi. Pour faciliter la compréhension de l'invention, la suite de la description se rapportera à un jouet équipé d'un chassis 1 et d'un habillage 10. Tel que représenté aux figures 1 à 3, le chassis 1 supporte un ensemble gyroscopique G composé d'un disque d'inertie 5 assurant la fonction de gyroscope, et d'un organe d'entraînement 6 du disque 5. Préférentiellement, L'organe d'entraînement 6 est un moteur électrique associé à des moyens d'alimentation. Le moteur 6 comprend un stator et un rotor d'axe OY. Le rotor porte le disque d'inertie 5 concentriquement disposé. Cet ensemble gyroscopique G est monté à pivotement autour d'un axe OZ porté par le chassis 1. La bague 7, solidaire du moteur 6, permet de supporter les éléments de guidage en pivotement de l'ensemble gyroscopique autour de OZ qui, selon un mode de réalisation sont composés de deux axes 7' et 7", coopérant avec les paliers cylindriques 4 et 4' solidaires du chassis 1. Ces paliers peuvent être du type "paliers lisses" ou encore roulements à billes. Selon un autre mode de réalisation, les axes 7' et 7" peuvent être avantageusement remplacés par des axes déformables en torsion 17' et 17" tels que représentés aux figures 9 à 11. Cette conception permet de supprimer les paliers 4 et 4'. Les axes déformables 17' et 17" sont fixés de façon rigide, à chacune de leurs extrémités, au chassis 1 et à la bague 7. Selon un mode de réalisation, les axes déformables 17' et 17" sont liés, par leurs extrémités 17'a et 17"a, au chassis 1 grâce aux rivets 24. La fixation des extrémités 17'b et 17"b à l'ensemble gyroscopique G est assurée par un surmoulage réalisé dans la matière plastique composant la bague 7. Dans le cas où la conception du moteur 6 le permet, les moyens de guidage en rotation de l'ensemble gyroscopique G autour de l'axe OZ peuvent être directement rattachés à l'ensemble gyroscopique G sans faire appel à la bague 7. Dans le cas où l'habillage 10 remplace le chassis 1, les extrémités 1 7'a et 17"a des axes déformables 17' et 17", tels que représentés à la figure 11, sont rendues solidaires de l'habillage 10, réalisé à titre d'exemple en matériau thermoformable, grâce à des pions 25 déformés à chaud faisant partie intégrante de cet habillage. Ainsi, L'ensemble gyroscopique G peut pivoter autour de l'axe OZ. Des butées 10' et 10" intégrées à l'habillage 10 permettent d'en limiter le pivotement. Le moteur électrique 6 est raccordé à une alimentation électrique 11, constituée par un ensemble de piles ou d'accumulateurs porté par le chassis 1, par l'intermédiaire d'éléments conducteurs 12 et d'un interrupteur 13. Tels que représentés à la figure 11, les axes déformables 17' et 17" peuvent être utilisés comme éléments conducteurs s'ils sont métalliques ou, plus généralement, conducteurs d'électricité. Tel que représenté à la figure 2, une première extrémité 8a du ressort de rappel 8 de traction est fixée au chassis 1 par un point A tandis que l'autre extrémité 8b est fixée au point B de l'ensemble gyroscopique G, porté par le levier 9 solidaire de la bague 7. L'agencement de ces éléments est tel qu' une ligne fictive, parallèle à l'axe OX, passant par les points A et B et sécante à l'axe OZ, soit perpendiculaire à OY et que les points A et B soit situés de part et d'autre dudit axe OZ. Cette construction théorique peut toutefois s'accomoder de certaines tolérances de position, tant en angularité qu'en distance. Dans le cas de l'utilisation d'un ressort de rappel 8 de compression, le point B et le point A sont situés du même côté de l'axe OZ, tel que représenté à la figure 8. La figure 6 représente un troisième mode de réalisation du système de rappel par ressort de traction de l'ensemble gyroscopique G dans lequel le ressort de rappel 8 est déplacé vers le bas du jouet afin de réduire l'encombrement vertical de sa partie mécanique. II est alors interposé entre le palier de guidage supérieur 4' et l'ensemble moteur-gyroscope G. Dans cette conception, une première extrémité 8a du ressort 8 est fixée au chassis 1 par un point A tandis que l'autre extrémité 8b est fixée au point B de l'ensemble gyroscopique G par l'intermédiaire de la pièce relais 16 et de la tige 15. La tige 15 peut être avantageusement remplacée par un fil. Telle que représentée à la figure 7, la pièce relais 16 est, selon un mode de réalisation, évidée de telle sorte que, quelle que soit la position angulaire de l'ensemble moteur-gyroscope G autour de l'axe OZ, il n'y ait pas d'interférence avec l'axe de guidage 7". La figure 9 décrit ce montage dans le cas où l'on utilise des axes déformables 17' et 17". Le positionnement des points de fixation A et B par rapport aux axes OY et OZ obéit aux mêmes règles que celles édictées pour le premier mode de réalisation des figures 1 et 2. Une lame élastique 14 est rendue solidaire de l'ensemble gyroscopique G par l'intermédiaire de la bague 7. Pour permettre le débattement de la lame 14 lorsque l'ensemble gyroscopique G pivote autour de l'axe OZ, une échancrure est pratiquée dans l'habillage 10. Cette lame 14 peut également être utilisée comme butée de rotation de l'ensemble gyroscopique G autour de l'axe OZ si, dans les positions extrêmes, elle vient coopérer avec l'habillage 10. Dans ce cas, elle vient se substituer aux butées 10' et 10". Pour des raisons de symétrie, une seconde lame souple 14', non représentée, peut être installée du côté gauche du jouet. L'extrémité 14a de la lame 14, visible de l'extérieur de l'habillage 10, est habillée d'une pièce 20 qui, pour des raisons d'esthétique, peut figurer une partie de la moto ou du corps du pilote comme par exemple le pied, I'épaule ou la tête. Telles que représentées à la figure 4 des parties mobiles 10a et 10b sont montées à articulation sur l'habillage 10 grâce à une articulation 22 comme sur la partie inférieure de la figure ou à une zone de moindre épaisseur E de l'habillage 10 comme sur la partie supérieure de la figure. Des éléments de centrage 10c, solidaires des parties mobiles 10 a et 10 b, permettent d' assurer le calage initial de l'ensemble moteur-gyroscope G. Suivant les conventions présentées aux figures 5a et 5b, ce calage initial correspond à une valeur de l'angle a égale à 0. II est obtenu en faisant coopérer les éléments de centrage 10c avec l'élément d'orientation 18, solidaire du gyroscope G grâce à la bague 7. La précision du calage est obtenue grâce aux butées 19a et 19b solidaires de l'habillage 10. Le système proposé permet de garantir la stabilité à l'arrêt et donc de maintenir la moto en équilibre autour de son axe de roulis TT', constitué par la ligne imaginaire passant par les points de contact C1 et C2 de chacune des deux roues 2 et 3 avec la base d'appui et de garantir également la stabilité dynamique sans pour autant que la moto soit équipée d'une fourche montée à pivotement sur le chassis 1. L'avantage de cette solution sur les produits existants réside dans l'aspect surprenant qu'elle procure et donc sur sa capacité ludique, primordiale pour un jouet. De plus, I'obtention de l'équilibre requiert une certaine précision de la part du joueur, ce qui contribue à exciter son intérêt et donne au jouet des vertus pédagogiques certaines. Pour obtenir l'équilibre d'un engin tel qu'une moto, il convient de générer à chaque instant autour de l'axe de roulis TT', des efforts ou plus précisément des moments de forces tels que ceux-ci compensent exactement ceux générés par les forces extérieures au système, comme par exemple les efforts gravitaires ou les impulsions appliquées par l'enfant au cours du jeu. Pour équilibrer ces perturbations sans avoir recours à un troisième appui, la solution présentée ici fait appel à 1 ensemble gyroscopique G. Ce système est compatible avec la présence d'une fourche, portant la roue avant, montée à pivotement sur le chassis 1. Pour générer des moments de forces antagonistes aux perturbations subies par le jouet, cet ensemble moteur-gyroscope G se déplace angulairement autour de 1 axe de pivotement OZ, situé dans le plan de symétrie de la moto, passant par l'axe de roulis, ou dans un plan parallèle et très proche de ce plan, et perpendiculaire ou très proche de la perpendiculaire à l'axe de roulis. L'ensemble gyroscopique G doit en outre subir un moment de rappel déstabilisant autour de l'axe OZ, généré par le ressort 8. La valeur de ce moment dépend, pour une grande part, de la distance du point B par rapport à l'axe OZ ainsi que de la raideur du ressort 8 et des axes déformables 17' et 17". Ainsi, ce moment de rappel tend à écarter 1 ensemble gyroscopique G de sa position d'équilibre, correspondant à une valeur de l'angle a égale à 0. L'ensemble gyroscopique G n'a pas d'autre position stable que celle correspondant à sa mise en appui sur les butées de pivotement 10' ou 10". L'ensemble ainsi conçu présente donc, en l'absence de rotation du disque 5, deux instabilités. Une première due à la perte d'équilibre d'un engin à deux roues dépourvu d'un troisième point d'appui et la seconde due à l'effet déstabilisant du ressort de rappel 8 sur l'ensemble moteurgyroscope G autour de l'axe OZ. Lorsque le disque 5 est entraîné dans un mouvement de rotation autour de son axe, cet ensemble devient stable. L' application des lois connues de la physique permet de démontrer la stabilité du jouet lorsque le disque 5 est en mouvement: Soient: I: : L'inertie du disque 5 en rotation autour de OY w: la vitesse angulaire du disque 5 autour de OY C: L'inertie de rotation du jouet autour de l'axe de roulis TT' k: la raideur de rappel autour de l'axe OZ m : la masse totale du jouet p : le moment déséquilibrant autour de l'axe de roulis TT' h : la hauteur du centre de gravité du jouet par rapport à TT' g : la gravité e : l'angle de pivotement du jouet autour de l'axe de roulis TTt #' : la vitesse de pivotement du jouet autour de l'axe de roulis TT #" : l'accélération de pivotement du jouet autour de l'axe de roulis N' a : I'angle de pivotement de l'ensemble moteur-gyroscope G autour de l'axe OZ a : la vitesse de pivotement de l'ensemble moteur-gyroscope G autour de l'axe OZ Equation d'équilibre autour de l'axe TT': e " + Cwa' = pe ; avec p = mgh Equation d'équilibre autour de l'axe OZ: Cw#' + k&alpha; = 0 De ces deux équations on tire les relations suivantes: l#" + Cw (- CwO" 'k) = pe (l - Cw /k )H Il - pO = 0 Pour que le système soit stable, il faut et il suffit que: I -C2w2/k Ce qui donne la condition de stabilité : C2 w2 > Ik Cette condition impose donc une vitesse et une inertie de rotation du disque 5 aussi élevées que possible. Par contre, l'inertie de roulis du jouet et la raideur de rappel autour de l'axe OZ doivent être réduites au minimum. L'utilisation du jouet suppose le mode opératoire suivant: le gyroscope G étant au repos, le jouet abandonné dans une quelconque position, y compris proche de la verticale, est instable et chute. La mise sous tension du moteur 6 grâce à l'interrupteur 13 permet d entraîner le disque 5 en rotation; il suffit alors de quelques secondes pour qu'il atteigne son régime de rotation nominal. A partir de cet instant, le bon fonctionnement du système est lié aux conditions initiales dans lesquelles il se trouve au moment où l'on souhaite le faire fonctionner en équilibre. II est en effet indispensable que le jouet soit libéré dans une position telle que les angles a et O soient aussi proches que possible de 0. La condition sur l'angle a se trouvera respectée grâce au dispositif de calage faisant intervenir les parties mobiles 10a et 10 b équipées des éléments de centrage 10c, ainsi que les butées 19a et 19b et l'élément d'orientation 18. Un positionnement moins précis peut également être obtenu en agissant sur la lame souple 14. Quant à la verticalité de l'engin, elle sera obtenue grâce à l'habileté du joueur. Lorsque ces deux conditions sont assurées de façon simultanée, la moto peut être lâchée. L'équilibre est alors maintenu par la réaction automatique de l'ensemble gyroscopique G aux perturbations extérieures, que celles-ci soient dues aux moments gravitaires ou à des impulsions provoquées par le joueur. En mode stabilisé, L'ensemble gyroscopique G et la moto présentent de faibles oscillations des angles a et o. Dans ces conditions, I'équilibre est assuré aussi bien à l'arrêt que moto roulante. Si, pour des raisons liées à des conditions initiales de lâcher mal maîtrisées ou à des perturbations extérieures trop importantes en regard de la taille du jouet, L'ensemble gyroscopique G ne peut assurer la stabilité de façon correcte, les amplitudes d'oscillations des angles a et O augmentent progressivement et le système tend vers une divergence qui se traduit par la mise en contact de l'ensemble moteur-gyroscope sur les butées 10' et 10" autour de l'axe OZ et la chute de la moto. Cette situation provient du déphasage qui apparaît dans ces conditions entre les moments de force perturbateurs et les moments de force stabilisateurs générés par ie gyroscope G. Une action ponctuelle sur la lame souple 14, telle qu'elle se traduise par un moment de force autour de l'axe OZ permet, avant que le système n'ait divergé, de le ré-initialiser et de restaurer l'équilibre du jouet. REVENDICATIONS. 1. Dispositif de stabilisation pour objets ludiques naturellement instables autour d'un axe N' défini par deux points de contact C1 et C2 avec une base d'appui, caractérisé en ce qu il comporte un ensemble gyroscopique (G) muni d'un disque d'inertie (5) couplé à un organe d'entraînement (6). 2. Dispositif de stabilisation pour objets ludiques naturellement instables selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble gyroscopique (G) est monté à pivotement autour d'un axe OZ par l'intermédiaire des axes déformables en torsion (17') et (17") solidaires de l'ensemble gyroscopique (G) par leurs extrémités (1 7'b) et (1 7"b), et du chassis (1) par leurs extrémités (1 7'a) et (1 7"a). 3. Dispositif de stabilisation pour objets ludiques naturellement instables selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble gyroscopique (G) est monté à pivotement autour d'un axe OZ par l'intermédiaire des axes (7') et (7"), solidaires de l'ensemble gyroscopique (G), coopérant avec des paliers cylindriques (4) et (4') portés par un chassis (1). 4. Dispositif de stabilisation pour objets ludiques naturellement instables selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble gyroscopique (G) est muni d'une lame élastique (14) se prolongeant à l'extérieur d'un habillage (10) de l'objet, et sensiblement perpendiculaire à l'axe OZ. 5. Dispositif de stabilisation pour objets ludiques naturellement instables selon la revendication 4, caractérisé en ce que la lame élastique (14) comporte, à son extrémité (14a), un élément d'habillage figuratif. 6. Dispositif de stabilisation pour objets ludiques naturellement instables selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'un ressort de rappel (8) est relié, par une extrémité (8a), à un point A du chassis (1), et par une autre extrémité (8b), à un point B de l'ensemble gyroscopique (G). 7. Dispositif de stabilisation pour objets ludiques naturellement instables selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une pièce relais ajourée (16) est disposée entre l'extrémité (8b) du ressort (8) et le point B de l'ensemble gyroscopique (G). 8. Dispositif de stabilisation pour objets ludiques naturellement instables selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe d'entraînement (6) du disque d'inertie (5) est un moteur électrique raccordé à une alimentation électrique (11) par l'intermédiaire d'éléments conducteurs (12) et d'un interrupteur (13). 9. Dispositif de stabilisation pour objets ludiques naturellement instables selon la revendication 8, caractérisé en ce que les éléments conducteurs (12) sont constitués partiellement par les axes déformables (17') et (17"). 10. Dispositif de stabilisation pour objets ludiques naturellement instables selon la revendication 9, caractérisé en ce que les extrémités respectives (17'a) et (17"a) des axes déformables (17') et (17") sont portées par l'habillage (10). 11. Dispositif de stabilisation pour objets ludiques naturellement instables selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que I'habillage (10) se substitue au chassis (1) et supporte les composants qui sont rattachés audit chassis (1). 12. Dispositif de stabilisation pour objets ludiques naturellement instables selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments de centrage (10c) Oc) des parties mobiles (10a) et (lOb) de l'habillage (10) coopèrent avec un élément d'orientation (18) de l'ensemble gyroscopique (G).