Brevet FR2762576A1 — publié le 19981030

La présente invention concerne un dispositif visant à apporter un gain d'efficacité dans la transformation du travail musculaire du cycliste en énergie mécanique disponible à la transmission. De ce fait, elîle intéresse la relation hommemachine dans sa partition qui implique la liaison entre la partie motrice qu'est la jambe et la partie réceptrice qu'est la transmission. Cette liaison est assurée par les éléments courants désignés chaussure, pédale, manivelle, qui concourent à l'action motrice appelée pédalage d'où la désignation du titreen terme de "système de pédalage", en rapport à la tryptique de son objet. La figure 1 permet d'expliciter le mode traditionnel du pédalage. En première caractéristique, la chaussure est solidarisée à la pédale par calepieds ou bloc automatique, de sorte que le pied applique son effort toujours au même point de la pédale, noté (A), c'est-à-diresurson axe. Cet axe, monté sur roulements dans des alésages appropriés de la pédale, est vissé et bloqué à son extrémité libre sur une des extrémités de la manivelle appelée son pied. Enfin, la manivelle tourillonne à son autre extrémité, appelée sa tète, autour de l'axe du boîtier de pédalier. Ainsi, en deuxième caractéristique, cette manivelle, sur laquelle l'entraxe entre l'axe de pédale, en pied, et l'axe de pédalier, en tête, a une valeur fixe choisie de longueur L, imprime une rotation au point d'application (A) de l'effort selon un cercle centré sur l'axe de pédalier et de rayon L. Cela forme un bras de levier constant pour l'effort F exercé par le cycliste, ce qui engendre le couple moteur. Dans une approximation, on peut admettre que la force F est perpendiculaire au plan de la pédale, ce qui est quasi vrai dans une orientation à i 50 de part et d'autre de l'horizontale que ce soit dans la rotation avant, en poussée, comme dans la rotation arrière, en tirage. Par ailleurs, le pédalage est assuré par le jeu cinématique de la cuisse, de la jambe et du pied, et dans cet ensemble anatomique, c'est le col du fémur qui constitue le point de rotation fixe. Ce qui conduit l'axe, noté (T), joignant la rotule du genou à la malléole de la cheville (C), à prendre diverses positions angulaires selon l'angle M de la manivelle avec l'horizontale, se traduisant par autant d'orientations de la pédale. S'y ajoutant la propre mobilité du pied autour de la cheville, le cycliste a la faculté, en troisième caractéristique, de placer son pied et sa pédale selon un angle P par rapport à l'horizontale, et du même coup de jouer sur l'orientation de F. Les première et deuxième caractéristiques ne permettent pas d'exploiter efficacement cette faculté, ce qui ressort bien d'un étude mécanique où l'on démontre que le couple moteur d'un seul côté, soit C, vaut: C = F.L.cos (M-P), où M et P sont des angles orientés. En effet, cos (M-P) le couple C est donc minoré par les rotations du pied. En quatrième caractéristique, I'intensité de F est essentiellement variable : c'est pour M compris entre -60" et +70 qu'elle atteint ses valeurs les plus efficaces, et entre-15 et +45 son paroxysme. C'estdonc ce champ de travail que l'invention investit essentiellement. En cinquième caractéristique, en écrivant C = [F cos (M-P)]L, où L, partie dimensionnelle, est constante, il apparaît que la construction classique ne peut apporter de bénéfice sur le couple moteur que par montage d'une autre manivelle plus longue. Ce qui est strictement borné par la morphologie du cycliste. Le système de pédalage, selon l'invention, permet de remédier aux limites des caractéristiques ainsi recensées dans le mode traditionnel. Les figures 2 et 3 illustrent la description, côté gauche, de ce système. Dans un premier propos, une pédale, ne possédant pas de moyeu, mais en lieu et place, du côté intérieur pour la chaussure, c'est-à-dire droite pour la pédale gauche et viceversa, un alésage de section carrée, est solidarisée par emmanchement à un tenon carré (1), usiné en bout d'un axe (2), et bloquée par vis centrale non représentée mais vissée dans le trou taraudé (3). Cet axe, qui traverse un roulement à billes (4) monté serré dans le "bras d'équidistance" (5), est fretté-collé dans la biellette de transfert d'effort (6). Avec un second axe (7), lui-même fretté-collédans l'autre alésage de la biellette, I'association (1) + (2) + (6) + (7) constitue l'équivalent d'un "axe coudé plan", selon le plan d'assise chaussurepédale, noté (Pla) dans les figures 1, 4 et 5. Un ensemble articulé symétrique est constitué des biellettes (8) et (8'), (9) et (9'). Les couples (8) et (9) d'une part, et leurs homologues symétriques (8') et (9') d'autrepart,ont un mouvement oscillant interne. Chaque couple articulaire est lié à son extrémité extérieure à l'axe (7) par une liaison pivot à roulement à billes et à son autre extrémité, intérieure, au corps de manivelle (10) par une liaison pivot identique mais séparée, c'est-à-dire de part et d'autrede l'axe du corps, qui est aussi l'axe de symétrie de cet assemblage. Cet ensemble (7) + (8) + (8') + (9) + (9') + (10) forme une nouvelle manivelle déformable dans laquelle l'axe (7) tourillonne, en pied, et dont la tête reste seule inchangée. Enfin, le bras d'équidistance (5) relie l'axe (2) du tenon de fixation de la pédale à un point fixe de la manivelle. II maintient constant, à une tolérance serrée près, la distance pédale-moyeu de pédalier, d'où son nom. II oscille en petits mouvements, d'où des liaisons pivots par roulements à ses deux extrémités (4) et (11). Le schéma, réduit au seul principe, de la figure 4, explicite le fonctionnement du système. La figure5 en précise le détail constructif. Toutd'abord, le lieu cinématique du point (A) d'application de l'effort exercé par le cycliste, se situant ici au niveau du carré de pédale sur l'axe (2), est un invariant par rapport au système classique : ce qui est fondamental, ne modifiant pas ainsi la position nécessaire du cycliste sur sa machine, ni ne requérant un aménagement de cette dernière. Un simple mécanisme de variation de longueur de la manivelle, qui eût désaxé vers l'avantce cercle, eût aussi abouti, par l'avancement concomitant du pied, a une interférence de celui-ci avec la roue avant en virage, ce qui eût été rédhibitoire vis-à-vis de la sécurité; sauf de devoir reconstruire le vélo avec cadre allongé, donc perte de rigidité. Par contre la biellette de transfert d'effort (6) accompagnant l'oscillation de la pédale allonge la manivelle dans la partie avant de son mouvement de rotation. Alors, I'étude de l'équilibre mécanique de cette biellette de transfert (6) montre que l'effort (F) exercé sur l'axe (2) est transmis à l'axe (7), d'où son nom. A la condition formelle que le couple par ailleurs formé par cet effort (F) sur (2) par rapport à (7), et qui tendrait à faire tourner (2) autour de (7), soit annulé par compensation du pied sous la forme d'un couple égal en intensité mais opposé, exercé de ce fait par une tendance à rotation contraire. Ce couple a la valeur F8 cos2 (M-P), où 6 est le déport fait par l'entraxe (2) -, (7). II s'en suit deux conséquences La première, tient en ce que le mode de transfert ainsi créé est capable d'accroître le couple moteur d'une réelle efficacité puisque l'expression de ce couple devient: C = FL cos (M-P) + F8 cos2 (M-P). Ce couple additionnel est spécialement attractif lorsque (M-P) est le plus petit possible, c'est-à-dire quand M et P sont voisins. Cela renforce l'efficacité de l'adoption d'un mode de pédalage à grande souplesse articulaire de la cheville. La seconde conséquence de l'invention tient au domaine de physiologie musculaire. A partir dru point le plus haut de la pédale, c'est la contraction du quadriceps qui déploie la jambe par une extension du genou et crée donc une poussée sur le tibia, selon l'axe (T) de la figure 1, qui se transmetà la cheville (C). Or, I'appui à la pédale doit se faire en (A) par un couple de levier (C)-(A), que représente le pied. L'action du pied, qui équivaut à un soulèvement plantaire dans une station debout, est due au triceps sural et spécialement aux jumeaux, muscles superficiels recouvrant le soléaire profond qui participe moins du fait de son insertion au tibia et au péroné. Tandis que les jumeaux joignent le fémur au fort tendon d'Achille, inséré au calcanéum. L'extension du genou allonge les jumeaux et les rend spécialement efficaces pour le soulèvement du talon dans la marche ou, ici, pour appuyer sur la pédale en exerçant donc un couple centré en (C), simulacre d'une rotation autour de (C), et qui assure pour la poussée d'origine (d'axe (T)) le transfert de (C) à (A). L'invention offre un couple moteur additionnel formé, comme dit plus haut, par une compensation qui est aussi une tendance à rotation autour de (C), autrement dit un couple pur. Ce supplément moteur est donc strictement dû à la contraction du triceps sural, ne provenant pas, lui, du quadriceps. L'invention constitue donc une nouvelle exploitation du travail musculaire par une meilleure répartition de rôles entre les muscles, surtout en ne prélevant pas le couple moteur additionnel sur le quadriceps, très chargé habituellement et sensible, à cause de cela, si non aux crampes, à la sensation douloureuse dite "des grosses cuisses" chez les coureurs. La réalisation du dispositif expanseur est montrée par les figures 2, 3 et 5. Les biellettes sont en alliage d'aluminium, les axes en acier évidé pour allègement, les roulements, au nombre de 8 par pédale, sont à billes de série ultra-légère, étanches et pesant 6 grammes. Compte tenu du gain de poids récupéré sur l'absence de moyeu à la pédale, le bilan global des masses n'apparaît pas défavorable. La figure 6 explicite les éléments, lorsqu'ils sont différents, d'une version plus luxueuse, d'un design plus classique, faisant appel à un dispositif expanseur non-articulaire mais en guidage rectiligne par une liaison glissière réalisée à l'aide de cages à aiguilles (12), roulantes dans une manivelle constituée en boîtier étanche (13), et contre lesquelles coulisse le bras de liaison (14) à l'axe (7). Dans ce cas, la liaison pivot entre ce bras (14) et cet axe tournant (7) est assurée par une douille à aiguilles (15) doublée, pour arrêt axial de l'arbre, d'un roulement à billes (16). Dans cette invention, la pédale dépourvue de moyeu n'est finalement qu'un instrument de soutien de la chaussure, genre de plaque interface. En conséquence, I'invention comporte sa suppression par intégration directement à la chaussure. La figure7 en explicite sur le plan du principe les éléments fondamentaux. La semelle de la chaussure est formée de 2 demi-coques en plastique ABS, dont seule la coque inférieure (17) est représentée. A l'intérieur, une plaque (18) porte une excroissance (20) côté manivelle destinée à accueillir l'axe (2). Des formes complémentaires mâle et femelle de ces deux éléments autorisent leur ajustement dans un mouvement latéral du pied. Un tenon cylindrique ou ergot (21), interne à l'alésage de la plaque, et maintenu sorti par un ressort à lame souple (22), est alors repoussé par l'axe (2) lors de son introduction Arrivéau fond, une rotation de la chaussure autour de l'axe (R), ou l'ébauche d'un mouvement de pédalage, permet de trouver l'indexation correspondant à la pénétration du tenon-ergot (21) dans le logement percé dans l'axe (2), ce qui bloque la solidarisation chaussure-manivelle. Le dégagement sera obtenu par rotation de la chaussure autour de l'axe (S) d'un angle D. Une chaînette attachée à un axe de la demi-coque (17) se trouve alors tirée et fait rentrer lue tenon-ergot, auquel elle est liée à son autre extrémité, dans son logement. Après fermeture, les deux demi-coques ajustées enserrent la plaque avec un jeu juste nécessaire à sa rotation relative. Ce mécanisme est retenu car correspondant aux habitudes déjà acquises des cyclistes avec les pédales automatiques. Ce dispositif autorise la marche facile et non endommageable, I'excroissance (20) ne dépassant pas au-dessous de la demi-coque (17). Par ailleurs, il s'assimile à un anti-vol de bicyclette puisque, sans pédales, il ne permet pas le placement du pied hors la chaussure adéquate de l'invention. Enfin, le pied se trouve là libéré de la hauteur relativement importante des pédales actuelles. De ce fait, le système autorise un cadre surbaissé pour une position du cycliste plus aérodynamique et un gain concomitant de vitesse. La figure8 présente un concept de cadre exploitant ce système de pédalage et complétant l'invention. Y figure en trait interrompu sur une des vues l'architecture conventionnelle, ce qui marque bien la différence. Dans le cadre proposé, le tube principal, oblique et de gros diamètre, est directement soudé au tube de pédalier, plus bas et plus en arrière, et le tube de selle est raccordé au tube oblique. Les deux tubes de fourche, qui seront donc plus courts, sont soudés au tube de pédalier. L'ensemble gagne ainsi en rigidité et évite l'entretoise habituelle reliant devant la roue les tubes de fourche. La chaîne de transmission sera plus courte, la position de selle reculée, et le cadre complet est plus ramassé, compact et léger. En revenant aux considérations d'ergonomie et d'anatomie musculaire, on peut aussi, en fonction de la morphologie propre développée chez les cyclistes, envisager le recours, pour obtenir le couple moteur additionnel, non à la participation des muscles extérieurs de la jambe comme les jumeaux décrite plus haut mais, au contraire, des muscles internes comme le soléaire profond. On démontre qu'il faut alors changer le sens du couple additionnel, c'est-à-dire qu'il soit de signe opposé. Ce qui sera obtenu, en dernière caractéristique, par inversion du mode de transfertdonc par retournement à 1800 de la biellette de transfert (6). Les figures 9 et 10 illustrent ce mode inversé et décrivent les modifications techniques afférentes. Le système est plus simple : I'axe (7) tourillonne par les deux mêmes roulements dans l'extrêmitéd'une manivelle monobloc cette fois. Le bras d'équidistance (5), inutile ici, a disparu. REVENDICATIONS 1. Système de pédalage ergonomique concernant la trilogie manivelle-pédalechaussure caractérisé en un dispositif visant à optimiser l'exploitation du travail musculaire du cydiste par transfert favorable de l'effort, lequel transfert est obtenu mécaniquement grâce à une biellette de transfert (6) et ses pièces adjacentes (1), (2) et (7) constituant un axe coudé plan, solidairement lié à la pédale. 2. Système de pédalage ergonomique, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il augmente le couple moteur par le transfert de l'application de l'effort à l'extrémité d'une manivelle à expansion dont la biellette de transfert assure l'allongement en phase active de poussée du pied. 3. Système de pédalage ergonomique à expansion, selon la revendication 2, caractérisé par un ensemble mécanique articulaire symétrique, où l'axe coudé plan, guidé dans ses oscillations par un bras d'équidistance (5) le retenant à la manivelle, tourillonne au moyen de roulements à billes dans les biellettes (8) et (8') des couples oscillants (8) et (9) d'une part, (8') et (9') d'autre part1 articulés eux-mêmes au corps de manivelle (fig. 2, 3 et 4). 4. Système de pédalage ergonomique à expansion, selon la revendication 2, caractérisé par un mécanisme où la biellette de transfert imprime le déport à un expanseur constitué, dans une version luxe, par un ensemble glissière, formé d'un bras coulissant dans un corps de pédale adéquat (fig. 6). 5. Système ergonomique pour amélioration physiologique du pédalage, selon la revendication 2 et l'une ou l'autre des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le couple moteur additionnel repose sur la transmission par la dite biellette de transfert d'un couple compensateur au couple engendré par le déport, qui constitue une mécanique de mise en oeuvre d'une force quasi-exclusive du triceps sural, donc sans surcharge du quadriceps. 6. Système de pédalage ergonomique, caractérisé, conséquemment à la revendication 1, par l'absence de moyeu de pédale, autorisant dans l'invention la substitution du binôme pédale + chaussure par une chaussure de pédalage (fig. 7). 7. Système de pédalage ergonomique, selon la revendication 6, caractérisé par une chaussure de pédalage à semelle en deux demisoques assemblables, comportant un dispositif interne à blocage automatique sur l'axe d'entrée (2) du mécanisme, tenant en une plaque (18) qui porte le mécanisme d'accouplement et de blocage en position par tenon-ergot mobile (21), poussé par un ressort au fond d'un logement complémentaire, percé dans (2) et permettant ainsi le dégagement de la chaussure par orientation adéquate du pied, par laquelle la coque tire sur une chaînette qui rentre le tenon et libère la liaison. 8. Système de pédalage ergonomique, selon les revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il aboutit à une architecture de cadre surbaissé avec botte de pédalier plus basse et plus en arrière dans une disposition de plus grande rigidité (fig.8) et une position aérodynamique du cycliste. 9. Système de pédalage ergonomique, selon la revendication 5, autorisant la différenciation morphologique du cycliste, caractérisé par l'inversion du mode de transfert d'effort au moyen d'un dispositif où l'axe coudé plan, retourné à 1800 et libéré du bras d'équidistance, tourillonne directement dans le pied d'une manivelle monobloc (fig. 9 et 10).