Brevet FR2762575A1 — 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 homme-machine 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 titre en 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-dire sur son axe. Cet axe, monté sur roulements dans des alésages appropriés de la pédale, et 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 tete, 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 tete, 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 s 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 cydiste 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 Iton démontre que le couple moteur d'un seul côté, soit e vaut: e = F. L.cos (M-P), où M et P sont des angles orientés. En effet, cos (M-P) 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'est donc ce champ de travail que l'invention investit essentiellement. En cinquième caractéristique, en écrivant C = [F cos (M-P)lL, 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 vice-versa, 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-collé dans l'autre alésage de la biellette, I'association (1) + (2) + (3) + (4) + (5) + (6) + (7) constitue l'équivalent d'un axe coudé plan, selon le plan d'assise chaussure-pédale, 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 homoiogues symétriques (8') et (9') d'autre part, 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'autre de 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 figure 5 en précise le détail constructif. Tout d'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'avant ce 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'equilibre 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 F6, où â est le déport constitué 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 (i-P) + F6. Là encore ce couple additionnel est notamment beaucoup plus attractif que dans un simple mécanisme d'allongement de manivelle, évoqué plus haut, où l'expression du couple n'eût été que C = F(L + b) cos (M-P), ou autrement écrit C = FL cos (M-P) + Fb cos montrant que la partie additionnelle est plus faible, le coefficient cos (M-P) étant quasi-minorant, et ô y variant de zéro en position haute à une valeur donnée au point le plus avant. La seconde conséquence de l'invention tient au domaine de physiologie musculaire. A partir du 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 transmet à 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, sinon 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 des 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 figure 7 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) coté 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. Arrivé au 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 le tenon-ergot, auquel elle est liée â 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 figure 8 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. REVENDICATIONS 1. Système de pédalage ergonomique à manivelle expansible, caractérisé en ce qu'il préserve le mode habituel, en position du cycliste et en gestuelle, du pédalage : mouvement circulaire du pied, à rayon constant, autour de l'axe du pédalier. 2. Système de pédalage ergonomique, selon la revendication 1, rationalisant l'action du cycliste, caractérisé en ce qu'il augmente le couple moteur par l'accroissement de la longueur du bras de manivelle, en phase la plus active, obtenue par un expanseur articulaire basé sur le principe de transfert d'effort, de l'axe d'action du pied (A) à l'axe d'extrémité décalé de la manivelle allongée. 3. Système de pédalage ergonomique à expansion, selon la revendication 2, caractérisé par un dispositif à biellette de transfert, attachée mécaniquement au pied et accompagnant ses oscillations d'une part, et engagée par son axe (7) dans un moyeu à roulements à l'extrémité de manivelle, d'autre part. Ladite biellette, maintenue, coté pied, par un bras d'équidistance (5) lié au corps de manivelle, apporte une translation fixe 6 de l'effort d'origine d'action, en (A), en effort d'entrainement, en (2), et génère un couple additionnel F6, substantiel puisque à bras de levier 6 constant. 4. Système de pédalage ergonomique à expansion, selon les revendications précédentes, caractérisé par un mécanisme où la biellette de transfert imprime le déport à un expanseur constitué d'un ensemble articulé symétrique de biellettesrelais, relié au corps de pédale (fig. 2 et 4), ou dans une version luxe, à un ensemble glissière, constitué d'un bras coulissant dans un corps de pédale adéquat (fig. 6). 5. Système ergonomique pour amélioration physiologique du pédalage, selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le couple moteur additionnel Fb est le fruit d'un couple compensateur de même intensité et obtenu par la force quasi-exclusive du triceps sural, donc sans surcharge du quadriceps. 6. Système de pédalage ergonomique, caractérisé, conséquemment à la revendication 3, par l'absence de moyeu de pédale, autorisant dans l'invention la substitution du binôme pédale + chaussure par une chaussure de pédalage. 7. Système de pédalage ergonomique, selon la revendication 6, caractérisé par une chaussure de pédalage à semelle en deux demi-coques assemblables, comportant un dispositif interne à blocage automatique sur l'axe d'entrée (2) de la manivelle expansible. Ce dispositif tient en une plaque qui porte le mécanisme d'accouplement et de blocage en position par tenon-ergot mobile, poussé par un ressort au fond d'un logement complémentaire, percé dans (2). Ce mécanisme permet 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 (fig. 7). 8. Système de pédalage ergonomique, selon les revendications 1 et 7, caractérisé en ce qu'il aboutit à une architecture de cadre surbaissé avec boîte de pédalier plus basse et plus en arrière dans une disposition de plus grande rigidité (fig.8) et une position aérodynamique du cycliste.