Brevet FR2828474A1 — publié le 20030214

La présente invention concerne un système de pédalage adapté à l'anatomie de l'être humaine. Il est un perfectionnement des systèmes de transmission actuellement utilisés sur les véhicules à pédales, tel que les bicyclettes, les tricycles etc., en vue d'optimiser la performance mécanique de pédalage. Cette nouvelle version des systèmes de pédalages utilise des plateaux à la forme elliptique. De part les particularités de ce nouveau type des (5) plateaux dentés, le système de transmission ainsi défini sera capable de minimiser la variation périodique du couple exercé par la personne sur l'axe moteur du véhicule. Pour mettre en évidence le problème pour lequel je propose une solution technique, j'introduis une étude analytique sur les comportements mécaniques d'opération pédalage. D'une manière générale, le mécanisme actuellement utilisé est composé des modules (10) suivants (Fig. 1) : L'ensemble de pédalier : Il est composé des roulements du pédalier, des manivelles, d'un ou de plusieurs plateaux et de deux pédales avec ou sans cale-pied. Les roulements assurent la liaison pivot entre l'ensemble manivelles-plateaux et le cadre de véhicule. Les plateaux, parallèles et fixés l'un par rapport à l'autre, sont positionnés de telle (15) sorte que leurs centres de symétrique se trouvent sur une ligne, normale aux plans des plateaux, appelé aussi l'axe du pédalier. Les manivelles, aux tailles identiques, sont fixées, par une de leurs extrémités, à l'axe du pédalier. Elles sont aussi symétrique par rapport à un point sur l'axe du pédalier. Les deux pédales pivotées autour des extrémités libres des deux manivelles. Les axes de rotation des pédales, appelés aussi les axes (20) des pédales, sont parallèles à l'axe du pédalier. Une fonction de la pédale est de transmettre à la manivelle avec laquelle elle est en liaison, l'effort du pied. Les deux manivelles transforment ces efforts en un ensemble de couple et de force exercés sur l'axe de pédalier. La force sera supportée par le cadre de véhicule, négligeant l'inertie d'ensemble du pédalier et les frottements existant entre les organes mobiles du (25) pédalier, le couple est transmis entièrement aux plateaux. L'intensité de ce couple dépend aussi bien des forces exercées sur les pédales que des distances entre les pédales et l'axe du pédalier. Ces distances, en principe, identiques pour les deux manivelles, sont constantes pour chaque paire de manivelles. Ce qui signifie que pour un véhicule particulier, le couple exercé sur l'axe du pédalier varie en fonction des forces (30) appliquées sur les pédales. Le plateau qui engrène avec la chaîne de transmission transforme ce couple, en une force appliquée à la partie de la chaîne sous chargée. Cette force dépend non seulement du couple appliqué à l'axe de plateau, mais aussi de la distance entre le point où le plateau tire la chaîne de transmission et l'axe du pédalier. Lorsque les plateaux sont ronds, cette dernière distance est constante pour chaque plateau. Ce qui signifie, pour un plateau circulaire la force appliquée à la chaîne de transmission varie en fonction du couple introduit par les manivelles. Nous avons déjà prouvé que ce couple est aussi fonction des forces appliquées aux pédales. Selon cette (5) argumentation, nous pouvons constater qu'un système de pédalier ainsi défini exercera une force à la chaîne de transmission, proportionnellement aux forces exercées sur les pédales. La chaîne de transmission : Elle met en correspondance un plateau du pédalier avec un autre plateau, installé sur la roue libre. Son rôle est de transmettre l'énergie (10) mécanique produit dans l'ensemble du pédalier à la roue libre. Pour assurer cette fonction, elle doit être bien tendue entre les deux plateaux. Les dérailleurs : Ils sont prévus au nombre de deux pour un système de pédalage aux vitesses multiples. Leur rôle est d'assurer l'engagement entre la chaîne de transmission et une paire de plateaux. L'un de ces dérailleurs : appelé le dérailleur avant, est (15) positionné à proximité de l'ensemble du pédalier. Il guidera le brin sous chargé de la chaîne. L'autre dérailleur : appelé le dérailleur arrière, est positionné au voisinage de la roue libre. Il doit guider le morceau détendu de la chaîne et assurer la raideur de la chaîne entre les deux plateaux. La roue libre : Elle est composée d'un ou de plusieurs plateaux fixés en parallèles, (20) l'un par rapport aux autres de telle sorte que leurs centres de symétrie se trouvent sur une ligne perpendiculaire aux plateaux, appelée l'axe de la roue libre. La roue libre tourne autour de l'axe moteur du véhicule : l'axe de la roue arrière pour une bicyclette par exemple. Le principal rôle de la roue libre est de transformer la force exercée par la chaîne en un couple et une force appliqués sur l'axe de la roue libre. La force sera (25) compensée par le cadre de véhicule et le couple sera utilisé pour propulser le véhicule. Le couple en question dépend aussi bien de la force exercée par la chaîne, que de la distance entre l'axe de la roue libre et de point d'application de la force de la chaîne sur le plateau. Comme les plateaux de la roue libre sont ronds, cette distance sera constante pour le plateau engrené. Donc pour un plateau, aux dimensions bien définies, le couple (30) appliqué à l'axe de la roue motrice variera en fonction de la force introduit par la chaîne de transmission. Supposons que la conséquence des efforts externes sur l'ensemble de véhicule et pédaleur soient constant pendant chaque tour de pédalier. Donc pour garder constant l'accélération du véhicule il faut que le pédaleur applique un couple constant sur l'axe motrice de véhicule. Selon les caractéristiques des systèmes de pédalages actuels, pour appliquer un couple constant sur l'axe motrice de véhicule il faut appliquer un couple constant sur l'axe du (5) pédalier. Dans chaque position des pédales, les forces que le pédaleur exerce sur les pédales peuvent être variées suivant le geste que le pédaleur effectue. Cependant, la capacité d'un opérateur particulier pour agire sur les pédales d'un système de pédalage bien précis, est limitée et dépend des positions des pédales. Ainsi, le couple maximal qu'applique l'opérateur sur (10) l'axe de pédalier varie régulièrement pendant chaque tour des pédales. D'une manière générale, le couple exercé sur l'axe de pédalier est assuré, en partie, par la collaboration entre les différentes jointes des pieds, à savoir, les hanches, les genoux et les chevilles et en d'autre partie, sous l'effet du poids de pédaleur sur les pédales. Pour bien analyser le comportement mécanique de pédalage, nous allons étudier séparément les (15) conséquences des jointes des pieds et celles du poids de pédaleur sur le couple engendré sur l'axe de pédalier. Le poids de pédaleur introduit une force verticale sur l'axe de chaque pédale. L'action de la force exercée sur chaque pédale, produit un couple autour de l'axe de pédalier. La dimension de ce couple dépend non seulement de la grandeur de la force mais aussi de la distance (20) horizontale entre l'axe de la pédale supportant la force et l'axe du pédalier. Comme les deux pédales se trouvent toujours en symétrie par rapport à l'axe de pédalier, leurs distances horizontales par rapport à l'axe de pédalier sont identiques et leurs charges produiront deux couples opposés autour de l'axe de pédalier. Parmi ces deux couples seulement un seul seulement le véhicule. Donc pour optimiser la propulsion du véhicule, le pédaleur (25) concentra son poids sur la pédale qui propulse le véhicule en réduisant la charge imposée sur l'autre pédale. La conséquence du poids du pédaleur génère donc un couple autour de l'axe de pédalier. Ce couple pourra être calculé selon la position angulaire d'une pédale donnée par rapport à l'axe de pédalier (Fig. 2) : (30) où : CP : le résultat des couples appliqués par le poids MP : la charge de pédale qui produit un couple dans le sens où le véhicule sera propulsé mf : la charge de pédale qui produit un couple contre le sens où le véhicule sera propulsé (5) g l'accélération de pesanteur L la distance entre l'axe d'une pédale et l'axe de pédalier ./8 : la position angulaire de la pédale par rapport à l'axe de pédalier. Cet angle est mesuré à partire d'une ligne horizontale perpendiculaire à l'axe de pédalier. Selon cette formule nous pouvons déduire les résultas suivant : (10) 1) Lorsque les axes des pédales se trouvent sur un plan vertical qui passe par l'axe du pédalier, le poids de pédaleur ne produit aucun couple autour de l'axe de pédalier. A deux reprises, pendant chaque tour de pédalier, la pédale se trouvent dans cette situation. 2) Lorsque les axes des pédales se trouve sur un plan horizontal qui passe par l'axe de pédalier, la distance horizontale entre les pédales et l'axe de pédalier devient le maximum (15) possible. Dans ce cas, le résultat des couples générés sur l'axe de pédalier, à l'issue des poids imposés sur les pédales, devient maximum. A deux reprises, pendant chaque tour de pédalier, les deux pédales se trouvent dans cette situation. Lorsque le pédaleur distribue son poids sur les pédales, de telle manière que les charges Mg et Mf soient constantes (au moins pendant un tour de pédalier), la grandeur du (20) couple exercé par le poids autour de l'axe de pédalier variera, impérativement, en fonction de l'angle 8. Dans ce cas, la relation entre la conséquence du poids et la position angulaire d'une pédale devient une fonction périodique de période x. Donc sa représentation dans un système approprié de coordonné polaire sera une courbe symétrique par rapport au pôle. Cette courbe passera par le pôle et disposera de deux rayons maximums identiques, équivalant à (25) (Mp-Mf) gL situés respectivement à0 =0 et à = = r (pour une tour de pédalier) (Fig. 3). Quant aux conséquences des jointes des pieds sur le couple exercé sur l'axe de pédalier, nous distinguons deux phases différentes dans l'activité des jointes d'un pied : 1) Allongement du pied : pendant cette phase, le couple exercé sur l'axe de pédalier devient plus important que celui que le pied exerce à deuxième temps. Cette phase commence depuis le moment où le pédale correspondant au pied se trouve dans sa position le plus proche à la selle du véhicule. Cette phase sera terminée lorsque la pédale correspondant au pied arrive à sa position le plus loin de la selle. Ces distances seront mesurées entre un point au milieu (5) de la selle et l'axe de la pédale. 2) Raccourcissement du pied : Cette deuxième phase peut être totalement passive, le pied se laissant en quelque sorte retourner par la pédale. Cette phase commence depuis le moment où le pédale correspondant au pied se trouve le plus loin de la selle du véhicule. Elle sera terminée lorsque la pédale correspondant au pied arrive à sa position le plus proche de la (10) selle. Le changement de phase aura lieu lorsque la pédale croise le plan qui passe par l'axe de pédalier et un point au milieu de la selle. Nous dénommons ce plan le"plan de retournement" (Fig. 4). La symétrie entre les positions des pédales par rapport à l'axe de pédalier fait en sorte (15) que pendant l'opération de pédalage, lorsqu'un pied sera allongé, l'autre sera raccourci et vice versa. De plus, suivant chaque demi-tour des pédales autour de l'axe de pédalier chaque pied prendra le même geste que l'autre pied a pris avant la rotation des pédales. Comme les deux pieds sont identiques, on peut constater que la conséquence des couples exercés par les jointes de pied sera répété suivant chaque demi-tour des pédales autour de l'axe de pédalier. Par (20) conséquent, lorsqu'on mesure, en fonction de la position d'une pédale, le couple exercé par les jointes sur l'axe de pédalier, le résultat sera en symétrie par rapport à la centre de rotation de la pédale. Une étude plus détailler, des comportements mécaniques des jointes d'un pied pendant une tour de pédalier donnerait les résultats suivants (Fig. 5) : (25) Lorsqu'une pédale se trouve dans sa position le plus proche à la selle, le genou du pied qui bouscule la pédale doit exercer un couple plus important que ceux exercés par l'autres jointes du pied. Plus la pédale s'éloigne de cette position plus le genou sera assister par les autres jointes du pied, par conséquent, plus le couple engendré par les jointes de ce pied sera important. (30) Lorsqu'une pédale se trouve dans sa position la plus loin de la selle, le pied qui pousse la pédale sera aussi tendue que certaines de ses jointes ne pouvons pas introduire un couple important sur l'axe de pédalier. Donc, plus une pédale s'approche de sa position la plus loin de la selle, plus la capacité du pied correspondant pour exercer un couple sur l'axe de pédalier sera affaiblie. Selon cette argumentation, lorsque les axes des pédales se trouvent dans le plan de retournement, les conséquences des jointes de pied sur le couple exercé sur l'axe de (5) pédalier sera la plus faible. Plus les pédales s'éloignent du plan de retournement plus le couple engendré par les jointes de pied, sur l'axe de pédalier, devient important. Pour simplifier notre modèle mécanique, nous supposons que pendant le déplacement de la pédale, de sa position la plus proche de la selle vers sa position le plus loin de la selle, l'accroissement est le décroisement du couple exercé par des jointes des pieds sur l'axe de pédalier, suit (10) les mêmes cadences. Selon cette hypothèse lorsque les pédales se trouvent au voisinage d'un plan qui passe par l'axe de pédaleur et qui est perpendiculaire au plan de retournement, le couple exercé par les jointes de pied sur l'axe de pédalier devient le plus important. Suivant ces hypothèses la relation entre la position angulaire d'une pédale donnée et le couple introduit, sur l'axe de pédalier, par des jointes de pied, peut être représentée (15) convenablement par une courbe ovale dans un système approprié de coordonné polaire (Fig. 6). Dans chaque position des pédales le couple exercé par le pédaleur sur l'axe de pédalier est équivalant à la somme de couple introduit par les jointes des pieds et celui engendré par le poids de pédaleur. Selon les arguments susdits, lorsque le pédaleur applique son (20) maximum d'effort pour tourner le pédalier, le résultat sera un couple, autour de l'axe de pédalier, qui variera périodiquement selon la position angulaire d'une pédale donnée. Nous pouvons constater que la période de cette variation est équivalant à 71. dans cette condition de pédalage, le minimum du couple exercé sur l'axe de pédalier aura lieu lorsque la pédale en question se trouve dans une position particulière située entre le plan de retournement et le (25) plan vertical qui passe par l'axe de pédalier. Nous dénommons"plan d'épuisement"le plan qui passe par les axes des pédales lorsque le couple appliqué à l'axe du pédalier soit minimum. Ce plan peut être estimé à travers des résultats de plusieurs expériences. Il peut aussi être précisé suivant une étude analytique basée sur des hypothèses appropriées. Nous dénommons"p"l'angle qui est produit entre le plan vertical qui passe par l'axe de (30) pédalier et le plan d'épuisement. Le maximum couple que le pédaleur peut exercer sur l'axe de pédalier aura lieu lorsque la pédale de référence se trouve dans une position particulière située entre le plan perpendiculaire au plan de retournement et le plan horizontal qui passe par l'axe de pédalier. La relation entre la position angulaire d'une pédale donnée et le couple exercé par le pédaleur, sur l'axe de pédalier, peut être déduite en combinant les courbes représentant les conséquences de poids et celle des jointes de pied sur le couple de pédalier. Selon les (5) conditions de notre étude, le résultat de cette addition sera représenté par une courbe quasi ovale, dans un système approprié de coordonné polaire Fig. 7. Afin de normaliser cette courbe, nous l'estimons convenablement par une ellipse ayant la description suivant (Fig. 8) : Le centre symétrique d'ellipse est superposé sur le pôle, (10) Le petit axe d'ellipse est équivalant au double du couple minimum appliqué sur l'axe de pédalier, Le grand axe d'ellipse est équivalant au double du couple maximum appliqué sur l'axe de pédalier, L'angle produit entre la tendance du grand axe et l'axe"OX"est équivalant à l'angle ss (15) précédemment mentionné. En résumé, dans la section précédente, nous avons fait l'étude des comportements mécaniques du système de pédalage. Cette étude a été basée sur certaines hypothèses, cependant ses résultats peuvent soigneusement être généralisés sur d'autres conditions de pédalage. Nous avons constater que le couple maximal que le pédaleur peut appliquer sur l'axe de (20) pédalier varie selon la position des pédales et que ce couple sera minimum lorsque les axes des pédales se trouvent sur le plan d'épuisement. Dans cette condition, le genou du pied qui bouscule la pédale le plus proche à la selle doit appliquer son maximum d'effort. Selon les particularités des systèmes de pédalage actuel, la variation du couple de pédalier introduira une variation d'accélération au véhicule. (25) Pour compenser la variation d'accélération il nous faut réviser le système de pédalage actuel. Dans cet objectif, nous proposons d'utiliser des plateaux à la forme elliptique dans les systèmes de pédalage. Dans ce nouveau type de plateau, les dents sont rangées autour d'une ellipse dont le rapport de sa grand axe à son petit axe est équivalant au rapport du maximum couple au minimum couple exercé sur l'axe de pédalier. Les couples en questions sont (30) mesurés dans une condition de pédalage optimal où le pédaleur applique son maximum d'effort sur les pédales. Ce rapport doit être estimé en se basant sur des données expérimentales. Le centre de rotation du plateau ainsi conçu doit être bien placé sur le centre de symétrique de l'ellipse (Fig. 9). Lorsqu'un tel plateau engrène avec une chaîne de transmission, la contraction de la chaîne varie aussi bien en fonction du couple exercé sur l'axe de rotation du plateau qu'en (5) fonction de la position angulaire de plateau. Donc, si on exerce un couple constant sur l'axe du plateau elliptique, ce dernier produira une contraction périodique sur la chaîne avec deux extremums. La contraction minimale sera produite lorsque la chaîne tendue est à la distance maximale par rapport au centre de rotation du plateau et la contraction maximale se produira lorsque la chaîne tendue est à la distance minimale par rapport au centre de rotation du (10) plateau (Fig. 10). Selon la même logique si on applique une contraction constante sur une chaîne engrenée avec un plateau elliptique, cette force produira un couple périodique sur l'axe du plateau. Le couple minimal sera produit lorsque la chaîne tendue est à la distance minimale par rapport au centre de rotation du plateau et le couple maximal se produira lorsque la chaîne tendue est à la distance maximale par rapport à la centre de rotation du plateau (Fig. 11). (15) Selon ce concept, si dans un système de transmission classique, on remplace conformément un ou plusieurs plateaux ronds, par des plateaux elliptiques aux dimensions bien précis et monté dans les bons sens on peut pondérer la variation d'accélération. pour ce faire, le montage du plateau dans le système de pédalage doit assurer les conditions suivantes : Lorsque le plateau elliptique doit être monté sur l'axe du pédalier, les conditions à (20) respectées sont les suivantes : 1) Le plateau doit être perpendiculaire à l'axe de pédalier 2) L'axe de rotation de pédalier doit passer par le centre symétrique du plateau 3) Le grand axe du plateau se trouver sur le plan horizontal lorsque les axes des pédales se trouvent dans le plan d'épuisement. (25) Lorsque le plateau elliptique doit être monté sur l'axe la roue libre, les conditions à respectées sont les suivantes : 1) Le plateau doit être perpendiculaire à l'axe de la roue libre 2) L'axe de rotation de la roue libre doit passer par le centre symétrique du plateau 3) Le petit axe du plateau se trouver sur le plan horizontal lorsque les axes des pédales (30) se trouve dans le plan d'épuisement. - 9- 2828474 Selon cette dernière condition, la position relative du plateau par rapport aux pédales doit être fixée. La satisfaction de cette condition n'est pas assuré si le braquet du plateau est différent de 1 : 1. Donc, la mis en oeuvre de plateau elliptique sur la roue libre sera efficace si et seulement si le plateau soit engrené avec un plateau au nombre de dents identiques. De plus la position relative du plateau elliptique par rapport aux pédales doit être vérifier suivant (5) chaque déraillement de la chaîne. Ces contraintes d'utilisation, renforce notre choix de ne pas recommander l'installation des plateaux elliptiques sur l'axe de la roue libre. Suivant la position du plateau elliptique, différents systèmes de pédalage peuvent être réalisés dont nous distinguons 6 catégories : 1) Système de pédalage simple avec un plateau elliptique sur l'axe de pédalier (Fig. 12) (10) 2) Système de pédalage simple avec un plateau elliptique sur l'axe de la roue libre (Fig. 13) 3) Système de pédalage simple avec deux plateaux de type elliptique (Fig. 14) 4) Système de pédalage multi-vitesses dans lesquels les plateaux de pédalier sont de type elliptique (Fig. 15) 5) Système de pédalage multi-vitesses dans lesquels les plateaux de la roue libre sont de (15) type elliptique (Fig. 16) 6) Système de pédalage multi-vitesses dans lesquels les plateaux de pédalier et celles de la roue libre sont de type elliptique (Fig. 17) Comme la longueur de la chaîne entourant le plateau elliptique varie selon la position angulaire du plateau, la chaîne de transmission doit être suffisamment longue pour n'est pas coincer le plateau en mouvement de rotation. Par ailleurs, pour que la chaîne soit toujours (20) engrenée avec le plateau, il nous faut prévoir un tendeur de chaîne dans le système de transmission. Lorsque le plateau elliptique sera assemblé sur un système de pédalage à plusieurs vitesses le dérailleur arrière de ce système remplira aussi le rôle du tendeur. Pour équilibrer les forces centrifuge générées dans le plateau lorsqu'il tourne, il nous faut bien gérer la distribution de la masse du plateau au tour de son axe de rotation. (25) Afin de valider notre approche, nous avons appliqué notre solution technique sur un prototype physique. Le plateau elliptique utilisé dispos de 48 dents rangées autour d'une ellipse à grand axe de 215 mm et à petit axe de 150 mm. Ce plateau est installé sur l'axe de pédalier d'un système de pédalage ordinaire à 12 vitesses appartenant à une bicyclette (Fig. 18). REVENDICATIONS 1) Le système de pédalage, tel qu'il est le sujet de cette invention, est à la charge de la transmission et de la stabilisation du couple périodique engendré, sur l'axe de pédalier, par l'action de pédalage. Le système de pédalage ainsi défini, dispose de deux ou de plusieurs plateaux dont certaines d'entre eux sont à la forme elliptique, deux pédales avec ou sans cales-pieds, deux manivelles et des roulements (Fig. 19). (5) 2) Le dispositif plateau elliptique selon la revendication 1 est un plateau denté dont les dents sont rangées autour d'une ellipse dont le rapport de son grand axe à son petit axe est équivalant au rapport du couple maximal au couple minimal exercé sur l'axe de pédalier. Ces couples sont mesurés dans une condition de pédalage optimal où le pédaleur applique son maximum d'effort sur les pédales. Ce rapport doit être estimé en se basant sur des (10) données expérimentales. Le centre de rotation du plateau ainsi conçu doit être bien placé sur le centre de symétrie de l'ellipse (Fig. 9). 3) Le système du pédalage selon la revendication 2 est de type simple. Il sera caractérisé en un plateau elliptique installé sur l'axe de pédalier et un plateau rond installé sur l'axe de la roue libre (Fig. 12). (15) 4) Le système du pédalage selon la revendication 3 est de type simple. Il sera caractérisé en un plateau rond installé sur l'axe de pédalier et un plateau elliptique installé sur l'axe de la roue libre (Fig. 13). 5) Le système du pédalage selon la revendication 4 est de type simple. Il sera caractérisé en deux plateaux elliptiques l'un d'entre eux est installé sur l'axe de pédalier et l'autre (20) est installé sur l'axe de la roue libre (Fig. 14). 6) Le système de pédalage selon l'une quelconque des revendications 2,3 et 4 dispos d'un tendeur pour assurer l'engrènement entre la chaîne de transmission et les plateaux engagés par la chaîne. 7) Le système du pédalage selon la revendication 5 est de type multi-vitesses. Il sera (25) caractérisé par des plateaux du pédalier du type elliptique et des plateaux de la roue libre du type rond (Fig. 15). 8) Le système du pédalage selon la revendication 6 est de type multi-vitesses. Il sera caractérisé par des plateaux du pédalier du type rond et des plateaux de la roue libre du type elliptique (Fig. 16). 9) Le système du pédalage selon la revendication 7 est de type multi-vitesses. Il sera caractérisé par des plateaux du pédalier et ceux de la roue libre de type elliptique (5) (Fig. 17). 10) Le système de pédalage selon l'une quelconque des revendications 2,3, 4,5, 6 et 7 dispos d'une chaîne de transmission à la taille suffisamment longue pour ne pas coincer les plateaux engagés. Cette taille sera ajuster momentanément avec les tendeurs prévus dans le système de pédalages. Dans les système de pédalage multi-vitesse, le dérailleur (10) arrière rempli cette tâche de tendeur.