Brevet FR2782546A1 — publié le 20000225

L'invention présentée a pour domaine, d'application les dispositifs mécaniques destinés à transformer un mouvement elliptique ou un mouvement alternatif en mouvement rotatif pour capter et transformer5 une énergie mécanique, comme par exemple dans un pédalier, ou dans un moteur à piston(s) alternatif(s). Inversement, ce dispositif est également apte à transformer un mouvement circulaire en mouvement elliptique ou en mouvement alternatif, comme par exemple dans une presse mécanique,10 dans une pompe, dans un compresseur, dans un dispositif de transfert, ou dans tout autres machines ou appareils. Dans les systèmes de pédalier connus, différents dispositifs provoquent: Une dissymétrie entre vitesse de descente et vitesse de montée de la pédale, ce qui perturbe l'harmonie du mouvement général des pieds. - Une dissymétrie angulaire entre le secteur actif, (mouvement de descente) et le secteur passif,(mouvement de remontée). Cela se traduit par une action plus brève sur 2 les pédales ou, selon la géométrie adoptée, un couple transmis moindre. - Une accélération instantanée à partir de chaque inversion de mouvement. - Un poids, un encombrement et des contraintes de réalisation trop importants. Comparativement au mouvement circulaire, le mouvement elliptique permet de limiter le déplacement dans les directions non actives de la révolution. Comparativement au mouvement alternatif, linéaire 3 ou en arc de cercle, la trajectoire elliptique donne un mouvement plus coulé, et représente un moyen de rendre progressive l'accélération de la pédale à chaque inversion de mouvement. En diminuant les espaces de débattement, l'application de l'invention comme moyen de transformer la trajectoire d'un mouvement, permet dans certains cas de diminuer utilement l'encombrement des mécanismes. -2- Dans le domaine des pédaliers, on trouve des moyens d'obtenir un mouvement elliptique des pédales qui sont réalisés au moyen de cames, de coulisses, de bielles et d'excentriques entraînant pertes de rendement et5 complexité des mécanismes. Dans le brevet n 2.259.006, du fait que c'est la rotation relative de la pédale sur la manivelle, qui entraîne le boîtier, dont la rotation fait varier l'entre axes, pédale / axe de pédalier, le couple nécessaire à10 l'entraînement de ce boîtier revient à déplacer virtuellement, l'axe de la pédale par rapport à celle ci. La présente invention entant éliminer cet inconvénient, la pédale étant montée libre en rotation sur son axe. Dans ce brevet n 2.259.006, les moyens d'entraîner la rotation du dit boîtier tendent à augmenter de façon importante la largeur de l'ensemble, et de ce fait, augmenter le porte à faut des pédales. Dans l'invention présentée cet inconvénient est moindre; les moyens de guidage et d'entraînement en rotation de la pièce20 sur laquelle est montée la pédale, sont intégrés à l'encombrement de la manivelle. On connaît également le brevet FR.1.177.593 dans lequel le principe de pédalage entraîne, en plus du mouvement habituel, une oscillation du pied, et de ce fait,25 un mouvement de la cheville, pour générer une amplitude verticale qui augmente quand il est actionné. Cela nécessite une adaptation et une contrainte pour contrôler le synchronisme des mouvements. La présente invention remédie à cet inconvénient en recevant l'effort directement30 sur l'axe de la pédale tel qu'il est transmis dans un pédalage traditionnel. On remarque également dans ce brevet FR.1.177.593, que l'axe des pédales décrit un mouvement circulaire alors que dans la présente invention l'axe des pédales décrit un35 mouvement elliptique, comme on le verra plus loin. Dans le système décrit dans le brevet FR.1.177.953, un type de pédale spécifique est nécessaire, -- 3 -- alors que dans l'invention présentée, les types habituels de pédale conviennent. Un autre point distingue l'invention présentée, du brevet FR.1.177.593 dans lequel le pignon central, qui transmet la rotation à la pédale, est monté sur roue libre. Dans l'invention présentée la pédale est libre sur son axe et la liaison entre les pignons est assurée quel que soie le sens de rotation du pédalier. Dans le domaine des moteurs il est convenu que les bielles engendrent des efforts parasites qui nuisent au rendement; ces efforts sont d'autant plus importants que les bielles sont courtes. On sait aussi que, plus la bielle est courte, plus on augmente la dissymétrie de la vitesse du piston entre les zones haute et basse de sa course. Les15 bielles longues elles, entraînent d'autres contraintes, notamment un supplément de poids et d'encombrement. Pour réduire ces contraintes, des systèmes ont été testés, et pour certains industrialisés, puis abandonnés, car ils engendraient des problèmes que les technologies du20 moment ne permettaient pas de résoudre. Ce fut notamment le cas pour le moteur à piston(s) rotatif(s). Le principe de l'invention présentée est décrit ici, avec référence à la figure 1, représentant un des deux ensembles manivelle constituant un pédalier.25 Une manivelle primaire (2), solidaire en rotation de l'axe de pédalier (1), porte à son autre extrémité, un satellite guidé en rotation sur un axe parallèle à l'axe (1). Ce satellite est composé d'un arbre (4) reliant en rotation un pignon (5) et une manivelles secondaire (3). Un 3 pignon fixe (7) est monté, concentriquement à l'axe (1), sur la structure supportant le pédalier. Une chaîne (6) s'engrenant sur les pignons (5,7), induit la rotation du satellite. Cette rotation est obtenue par le mouvement orbital du satellite autour du pignon fixe (7). Avec un35 rapport de 2/1 entre pignon satellite (5) et pignon fixe (7), on obtient, pour chaque tour de pédalier dans un sens, un tour de satellite dans l'autre sens. Ce rapport constant -4- de 2/1 permet, à chaque tour de pédalier, de retrouver la même position angulaire des manivelles primaire (2) et secondaire (3). L'extrémité disponible de la manivelle secondaire (3) supporte l'axe de pédale (8). 5 Dans une position angulaire donnée, la manivelle secondaire (3) se trouve, sur l'axe (4) de satellite, en opposition avec la manivelle primaire (2), ce qui correspond à un apogée de l'ellipse, les entre axes, manivelle primaire (2) et manivelle secondaire (3)10 s'ajoutant. Si l'on tourne l'ensemble de 90 , le satellite tournera de 90 dans l'autre sens, cela amènera la manivelle secondaire (3) en direction de l'arbre (1). Cette dernière position correspond à un périgée de l'ellipse, les15 entre axes manivelle primaire (2) et manivelle secondaire (3) se déduisant. Sur une révolution de 360 on obtient ainsi deux apogées et deux périgées. Entre apogée et périgée le rayon décrit par l'axe de pédale décroît progressivement, et inversement, entre périgée et apogée le20 rayon décrit par l'axe de pédale croît progressivement. La géométrie de l'ellipse est déterminée comme suit: -Apogée = Entre axes manivelle primaire (2), plus entre axes manivelle secondaire (3). -Périgée = Entre axes manivelle primaire (2), moins entre axes manivelle secondaire (3). L'ellipse ainsi décrite par l'axe des pédales trouve son axe précisément dans l'axe du pédalier. L'expérience suivante démontre que le couple restitué statiquement, est rigoureusement le même avec un pédalier selon l'invention présentée, qu'avec un pédalier traditionnel. Sur un axe de pédalier on monte en opposition, d'un côté une manivelle classique, et de l'autre côté une manivelle selon l'invention. Si l'on fixe35 un poids identique à chacune des pédales, on constate que l'équilibre est maintenu quel que soie la position angulaire des manivelles. - Selon l'invention, pour obtenir un mouvement alternatif rectiligne, on utilisera une manivelle secondaire (3), avec un entre axes égal à l'entre axes de la manivelle primaire (2). Dans ce cas le gain de parcours5 par rapport à un mouvement rotatif pourra s'exprimer ainsi: ( R) - (R 2) 100 / X R. soit: 36,338 %. La figure 2 représente en coupe transversale, dans un mode de réalisation selon l'invention, un des ensembles manivelle (côté chaîne), constituant un pédalier de10 bicyclette. Le fourreau de pédalier (9), contenant les roulements (11), de guidage de l'axe (1), est rallongé de chaque côté du cadre de façon à recevoir, à centrer et à fixer les pignons fixes (7) de chacun des ensembles15 manivelle. Le dit fourreau est lui même fixé et centré dans le tube transversal du cadre souvent appelé "boîtier de pédalier". Chacun des pignons fixes (7) pourra être fixé ou tournant sur le fourreau (9) par l'intermédiaire d'une bague (10). Un moyen anticouple relie d'une part, le pignon fixe ou la bague dont il est solidaire, et d'autre part, la structure fixe du pédalier. Ce moyen anticouple pourra intégrer un moyen de positionner avec précision le calage25 angulaire du pignon fixe à l'aide d'une commande qui permettra par ailleurs de varier l'inclinaison de l'orbite elliptique de pédalage, au grés de l'utilisateur. Sur cette figure 2 on remarque que, par rapport à l'axe de satellite, le taraudage (3a) recevant la pédale est en opposition par rapport à l'axe de pédalier. Cette position correspond à l'emplitude maximum du parcours de la pédale. Dans ce mode de réalisation, le boîtier (2) qui tient lieu de manivelle primaire peut être réalisé en métal forgé et usiner. Les parois de ce boîtier, et les renforts dont il est aménagé dans les espaces disponibles, contribuent à la solidité de ce boîtier. Dans une fonction annexe ce boîtier pourra constituer une protection des organes de transmission. Le satellite est fixé au boîtier par l'intermédiaire de: - Une platine (12) fixée à la face interne du boîtier. Cette platine reçoit l'axe de satellite. - Un axe (4) dont la tête et la zone de centrage (4a) sont excentrés par apport à la zone cylindrique recevant les roulements (11). Cet excentration permet par rotation10 de l'axe, le réglage de la tension de la chaîne (6) liant le pignon fixe (7) au pignon de satellite (5). La manivelle secondaire (3) est constituée d'un fourreau muni du bras recevant la pédale. L'alésage du fourreau reçoit les roulements (11). Le diamètre extérieur15 du fourreau reçoit le pignon de satellite (5). Les plateaux (13, 14) destinés à transmettre le mouvement à la roue sont fixés sur la face interne du boîtier (2) par l'intermédiaire de zones (2a), bossages ou pattes aménagés sur le boîtier (2).20 Dans un autre mode de réalisation, le moyen de transmission de rotation au satellite est un pignon intermédiaire s'engrenant à la fois sur le pignon fixe (7), et sur le pignon de satellite (5). Pour partager l'effort d'entraînement sur les pignons, deux ou plusieurs pignons intermédiaires pourront être disposés en parallèle. L'axe de chaque pignon intermédiaire est monté sur la manivelle primaire. Dans une variante du mode de réalisation précité le, ou les pignons intermédiaires seront plus épais, de façon à s'engrener à la fois sur le pignon fixe (7), et sur le pignon de satellite (5), si ceux ci sont décalés dans leur alignement, pour s'inscrire sur des plans différents. Dans une autre variante de réalisation, le décalage des plans de positionnement du pignon fixe (7), et du pignon de satellite (5), permet de remplacer chaque pignon intermédiaire par deux pignons solidaires d'un même axe. De manière à établir le rapport souhaité, ces deux -7 pignons ont un nombre de dents différent et s'engrènent réciproquement sur le pignon fixe (7), et sur le pignon de satellite (5). Un autre moyen de transmettre la rotation au pignon de satellite sera constitué d'un arbre perpendiculaire, ou non, aux axes (1, 4). Cet arbre sera lié au pignon fixe et au pignon de satellite par des engrenages d'angle et sera supporté dans des paliers solidaires de la manivelle (2).10 La figure (3), montre sur un quart de tour, le parcours (A) de la pédale sur un pédalier classique, et permet de le comparer au parcours (B) décrit par la pédale sur un pédalier selon l'invention. Sur ce croquis, la ligne (C) représente le parcours de l'axe de satellite guidé par la manivelle primaire (2). De cette ligne (C), partent tout les 15 , les lignes (Dl à D7) représentant la manivelle secondaire (3) dans une suite de phases. A chacune des dites phases, l'angle formé par l'entre axes de manivelle secondaire et la verticale est de même valeur, mais à20 l'opposé, que l'angle formé entre la manivelle primaire (2) et la verticale. Dans les applications destinées aux pédaliers, l'exploitation de l'invention pourra se faire sous forme de fabrication / vente, de kits pour équiper des vélos ou25 autres engins mus par pédales, tel que leur architecture est conçue traditionnellement. Dans un pédalier selon l'invention on remarque que dans un tour de manivelle, la zone o se porte l'effort du cycliste est reculée par rapport à un pédalier classique. De ceci découle le choix30 d'aménagement suivant: - Reculer sur le cadre la position de la selle et du guidon. - Déporter vers l'avant l'axe de pédalier à partir d'une fixation sur le tube transversal du cadre. Ce tube transversal constituant le palier est communément appelé "boîtier de pédalier". Outre le pédalier lui même, le kit d'adaptation pourra comprendre les éléments précités, -- 8 -- nécessaires à optimiser la position du cycliste. Dans une version adaptée aux vélos, o le montage du pédalier se fera en première monte, la position du palier de pédalier pourra être redéfinie à la conception du5 cadre. L'invention s'applique aussi à un pédalier monté sur un palier lui même adaptable à tout autre type d'engin mu par des pédales. La figure 4 représente un autre moyen d'obtenir un mouvement elliptique à partir d'un mouvement circulaire, ou inversement. Cette version trouvera son application plus généralement dans des mécanismes dont l'emplitude des mouvements est souvent moindre que dans les pédaliers, notamment dans les moteurs ou pompes à piston (s).15 Suivant cette figure 4, pour obtenir une course de piston donnée, le maneton (4) de vilebrequin (2), récepteur ou émetteur de mouvement alternatif sera excentré de façon moindre, ce qui par analogie aux descriptions précédentes, correspondra à la longueur de la manivelle primaire. Ce20 maneton (4) reçoit, libre en rotation, une bague (3) dont l'alésage est excentré. Par analogie aux descriptions précédentes, l'excentration de cette bague correspondra à la longueur de la manivelle secondaire. La bague excentrée (3) est solidaire d'un pignon (5) s'engrenant sur un pignon (7) à denture intérieure. Ce pignon (7), en forme de couronne est fixé concentriquement à l'axe de vilebrequin sur la structure fixe de l'ensemble (15). La bague excentrée reçoit sur son diamètre extérieur (3a), libre en rotation, la tête de bielle. La rotation du vilebrequin30 provoque le mouvement orbital de la bague excentrée munie de son pignon. Le mouvement orbital du pignon (5) induit la rotation de la bague excentrée (3), de façon à ce que la valeur d'excentration de la bague (3) et la valeur d'excentration du maneton (4) s'ajoutent ou se déduisent,35 alternativement et progressivement, pour modifier le rayon sur lequel s'inscrit le parcours de la tête de bielle. Pour permettre de décaler de façon angulaire le sommet de - 9 - l'ellipse décrite par la tête de bielle, la couronne à denture intérieure sera montée avec la possibilité d'un certain débattement angulaire. Ce débattement angulaire permettra de positionner la couronne de façon réglable par5 l'intermédiaire d'une manette ou d'un système d'asservissement agissant sur un dispositif anticouple lié à cette couronne. Toutes combinaisons possibles et utiles des solutions présentées dans l'ensemble de cette description 0O pourront être envisagées. Pourront également être envisagées, toutes combinaisons possibles et utiles entre les solutions présentées et d'autres modes de réalisation connus. La présente invention trouve son application dans les moyens de propulsion humains, notamment les pédaliers, pour engins tel que vélo, pédalo, voiturette, sans toutefois se limiter à cette seule application mécanique. - 10 - REVENDICATIONS 1) Dispositif mécanique permettant de transformer un mouvement alternatif ou elliptique, en mouvement circulaire, comme par exemple dans un pédalier ou autre dispositif similaire de transmission comprenant, en référence à la figure I: - Un arbre (1) récepteur et transmetteur du mouvement circulaire, recevant la manivelle (2), dont il est solidaire en rotation. - Un axe (8) évoluant autour de l'arbre (1). Inversement, ce dispositif est également apte à transformer un mouvement circulaire en mouvement elliptique ou en mouvement rectiligne. Le dit dispositif est caractérisé en ce qu'il comporte: - Une manivelle primaire (2) solidaire en rotation de l'arbre (1) - Un satellite, luimême composé: a) - D'un pignon (5) b) - D'une manivelle secondaire (3) c) - D'un arbre (4) portant de façon solidaire le pignon (5) et la manivelle secondaire (3) le dit satellite composé des éléments (3,4,5) étant monté libre en rotation à l'extrémité disponible de la manivelle primaire (2) sur un axe parallèle à l'arbre (1) - Un pignon fixe (7) concentrique à l'arbre (1) dont le nombre de dents établit un rapport de 2/1 avec le pignon (5) - Un moyen par exemple une chaîne (6) relie le pignon de satellite (5) au pignon fixe (7) assurant la rotation du satellite sur lui-même par le mouvement orbital de celui-ci. 2) Dispositif mécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la manivelle primaire(2) constitue un boîtier dans lequel s'intègre les moyens de transmission de rotation au satellite. 3) Dispositif mécanique selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le moyen de transmission entre -il- les pignons (5, 7) est constitué d'un ou plusieurs pignons intermédiaires montés sur la manivelle primaire (2) au lieu et place de la chaîne (6). 4) Dispositif mécanique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les pignons (5, 7) sont décalés dans leur alignement et sont liés en rotation par un pignon intermédiaire dont l'épaisseur compense le décalage. ) Dispositif mécanique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le pignon intermédiaire est remplacé par deux pignons solidaires d'un même axe comportant un nombre de dents différent et s'engrenant respectivement sur les pignons (5, 7). 6) Dispositif mécanique selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les pignons (5, 7) sont remplacés par des engrenages d'angle reliés entre eux par un arbre commun. 7) Dispositif mécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte figure 4 une bague (3) dont l'alésage est excentré, ladite bague (3) étant libre en rotation sur un maneton (4) de vilebrequin (2) et solidaire d'un pignon (5), lequel pignon (5) étant entraîné par un pignon (7) à denture intérieure fixé concentriquement à l'axe (1) sur la structure fixe (15) du mécanisme, le diamètre extérieur (3a) de la bague (3) reçoit la tête de bielle. 8) Dispositif mécanique selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une pédale est montée libre en rotation sur l'axe (8). 9) Dispositif mécanique selon les revendications 3 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une manette ou un dispositif d'asservissement agissant sur le positionnement angulaire du pignon fixe (7) par l'intermédiaire d'un dispositif anticouple.