Brevet FR2850947A3 — publié le 20040813

FR 2850947 A3 20040813 FR 0216454 A 20030212 Demande de certificat d'utilité Abrégé Mécanismes de propulsion basé sur la transformation des forces d'appui linéaires alternatives à amplitudes variables sur des pédales, en mouvement circulaire continu actionnant une roue motrice. Historique Depuis l'invention en 1855 par Ernest Michaux des pédales et manivelles le principe de propulsion des cycles est resté inchangé. La roue arrière motrice avec transmission par chaîne a été inventée par Starley en 1879. La roue libre en 1897 et le dérailleur en 1937 ont permis une utilisation souple de la transmission. Le double plateau est apparu en 1947. 20 L'indexation en 1980 et les pédales automatiques ont permis d'améliorer l'efficacité du système. Figure 1 De Michaux à aujourd'hui 25 Le système de propulsion adopté sur les cycles utilise les forces d'appui des membres inférieurs qui dans un mouvement circulaire imposé par des manivelles solidaires d'un plateau tournant sur un axe, entraînent par l'intermédiaire d'une chaîne un pignon lui même fixé sur l'axe de la roue arrière motrice. 30 La vitesse de progression du cycle dépend de la pression exercée sur les pédales et de la fréquence de pédalage. Celle-ci peut être ajustée en fixant sur la roue arrière un pignon multiple, la chaîne étant manoeuvrée par un dérailleur. C'est une solution intéressante de par sa simplicité et le mouvement des manivelles se rapproche assez bien de la marche ou de la course. La fixation des chaussures aux pédales permet d'améliorer l'efficacité par le "pousser tirer". Les différentes phases du pédalage Action conjuguée des muscles extenseurs et fléchisseurs des membres inférieurs. Nous négligerons l'action de la colonne vertébrale et des membres supérieurs qui seront les mêmes dans les deux systèmes. 45 Figure 2 Anatomie du cycliste Phases Action Durée Description sommaire 1 Pousser 34% Phase d'appui circulaire pouvant représenter 60% de l'énergie transmise 2 20% Phase de transition, d'accompagnement de la pédale dans son mouvement de rotation et de gestion du temps mort bas 3 Tirer 30% Phase de tirage dynamique circulaire pouvant représenter 35% de l'énergie transmise. Montée passive si non activée 4 16% Phase de transition, d'accompagnement du mouvement circulaire de la pédale et de gestion du temps mort haut Fi2ure 3 Phases du pédalage Tout se passe comme si l'effort utile était fourni par saccades, les impulsions ne représentant que la moitié de chaque cycle. L'énergie fournie pour basculer la jambe d'avant en arrière et vice versa est également perdue. Constat Globalement l'effort est fourni par à-coups et le rendement faible Les manivelles entraînent les jambes dans un mouvement de rotation non productif Le pédalage ndétant pas un geste naturel nécessite un apprentissage pour bien gérer toutes ces phases qui sont de toutes manières escamotées pour des fréquences rapides. Le démarrage ne peut être envisagé que dans la phase 1 et n'est efficace qu'avec une inclinaison de manivelle proche de 450. Description de l'invention Si l'on veut conserver le principe de transmission par chaîne avec entraînement par pédalier et pignon, système qui semble être le plus simple et efficace et le plus facilement démontable et 25 améliorer le rendement il faut que le couple actionnant le pédalier soit constant et proportionnel aux forces exercées sur les pédales. Deux solutions mécaniques répondent à ces objectifs et mettent en oeuvre des crémaillères guidées à l'extrémité des quelles sont fixées les pédales tournant librement sur leurs axes. * A Crémaillères coulissantes alternatives Version "Tirer Pousser" deux pédaliers symétriques couplés La présente invention utilise une crémaillère mobile et coulissante à inclinaison variable entraînant tangentiellement une roue dentée montée en roue libre sur l'axe du pédalier et 35 débrayant donc au point bas et pendant la remontée. Un système d'inverseur devra dans le même temps et de façon synchronisée faire remonter l'autre pédale. Une solution simple consistera à utiliser une crémaillère dentée sur deux faces perpendiculaires moyennant l'insertion d'une roue dentée dans un plan perpendiculaire en interface. Les dispositifs seront symétriques avec systèmes débrayables couplés. 40 Il faudra se donner une garde mini au sol et une amplitude maximale pour dimensionner la crémaillère et son guide ce qui conduira à prévoir en partie supérieure une gaine d'une longueur suffisante pour la protéger dans sa position de point mort haut. Il faudra donc remonter de façon très sensible l'axe du pédalier même si l'on peut réduire son diamètre. Un seul dérailleur à ce niveau devrait alors suffire. Figure 4 Présentation générale Figure 5 Vue de face de la ligne de crémaillère Figure 6 Détail de la ligne de crémaillère Figure 7 Représentation des phases de pédalage 15 Les différentes phases du pédalage Phases Action Durée Description sommaire 1 Pousser 50% Phase d'appui rectiligne pouvant représenter 65% de l'énergie transmise 2 Phase de transition courte et d'inversion de mouvement: point mort bas 3 Tirer 50% Phase de tirage dynamique rectiligne pouvant représenter 35% de l'énergie transmise. Montée passive si pas activée. 4 Phase de transition courte et d'inversion de mouvement: point 4_____ -____ ______ m ort haut Le rendement sera nettement amélioré puisque l'effort est transmis au pédalier de façon intégrale du haut jusqu'en bas et vice versa par le biais de l'inverseur. Il reste seulement à 25 gérer les points morts haut et bas. Un système d'amortissement simple peut permettre de les aborder de façon souple. On ne tourne plus les jambes le mouvement s'apparentant plus à celui adopté en montant les escaliers. Le bassin sera également moins sollicité. Le mouvement de pédales est parfaitement synchronisé. L'effort, constant ou pas, peu être produit pendant la totalité de la phase d'action descendante ou montante à l'exception des points morts haut et bas qui peuvent être déclenchés et gérés en tout point du cycle. Le cycle le plus long sera déterminé par l'amplitude maximale de la crémaillère. Le mouvement est alternatif rectiligne à amplitude variable. Le démarrage peut être engagé avec une efficacité maximale dans n'importe quelle position de 35 la pédale. L'apprentissage ne concerne que la gestion des temps morts ou d'inversion de mouvements qui devront être les plus courts possible. * B Crémaillères coulissantes alternatives "Pousser-Tirer" un seul pédalier Pour que l'on puisse tirer et pousser il faut un système mécanique qui puisse faire tourner le pédalier dans le même sens quel que soit le sens de déplacement de la crémaillère. Nous l'appellerons convertisseur. Figure 8 Présentation générale Fi2ure 9 Vue de face de la ligne de crémaillère Figure 10 Vue du dessus du convertisseur Fieure 11 Détail du convertisseur Le problème peut être résolu en utilisant une crémaillère à double denture entraînant de chaque côté des roues dentées montées en roue libre de même sens d'accrochage sur des axes portant eux-mêmes des récepteurs rotatifs à engrenages asservis en mouvement par une roue 20 dentée intercalée ou par une simple chaîne fermée. Le pédalier sera monté sur le récepteur rotatif le plus proche de la roue du cycle. Au niveau du convertisseur et perpendiculaire à la ligne de chaîne il sera inséré un inverseur composé d'une roue dentée permettant le trajet en sens inverse de la pédale gauche. Pour ce 25 faire la crémaillère droite sera dentée sur trois faces. La crémaillère gauche sera simple et n'entraînera pas de roue dentée. Le mouvement des pédales sera aussi parfaitement synchronisé. L'effort, constant ou pas, peu être produit pendant la totalité de la phase d'action descendante 30 ou montante à l'exception des points morts haut et bas qui peuvent être déclenchés et gérés en tout point du cycle. Le cycle le plus long sera déterminé par l'amplitude maximale de la crémaillère. Le mouvement est alternatif rectiligne à amplitude variable. Ce dispositif innovant se distingue par un mécanisme à haut rendement transformant un 35 mouvement linéaire alternatif de pédales à amplitude variable en mouvement circulaire débrayable actionnant une ligne de chaîne entraînant la rotation de la roue arrière d'un cycle et dont la décomposition est la suivante: A - Un actionneur d'entrée, point d'application de mouvements et forces linéaires alternatifs, 40 poussants et tirants d'amplitudes variables limités par la seule amplitude de la pédale droite et des butées haute et basse qui en limitent la course dans chaque sens et appelé ligne de crémaillère. B - Un dispositif de transformation de mouvements et forces linéaires et alternatifs appliqués 45 sur les pédales en mouvement rotatif appelé convertisseur. C - Un dispositif de synchronisation en sens inverse du mouvement de la pédale gauche appelé inverseur. D - Un arbre principal de sortie, à sens unique de rotation, quel que soit le sens et l'amplitude de déplacement des pédales. E - Un actionneur rotatif solidaire de l'arbre principal de sortie et actionnant une ligne de chaîne entraînant une roue motrice arrière de cycle. Un mécanisme complet constitué des composants suivants: A - Du coté de la ligne de chaîne- Coté droit. 10 1 - Un actionneur linéaire guidé comportant trois faces actives externes symétriques. Les pédales viennent se fixer à sa partie basse. 2 - Deux composants mécaniques rotatifs en prise réciproquement avec les faces actives de l'actionneur linéaire. 3 - Un dispositif de rotation à blocage unidirectionnel de type à roue libre équipe chacun de ces composants rotatifs dont les dispositions et les enclenchements en prise de couple positif sont dans le même sens. 4 - Chacun de ces composés est traversé par un axe entraîné en rotation de même sens l'un par rapport à l'autre, de façon alternative suivant le sens montant ou descendant des pédales 5 - Chacun de ces axes est liaisonné de façon rigide et solidaire à un composant mécanique rotatif, par exemple de type engrenage. 6 - Un composant mécanique rotatif à axe parallèle aux précédents qui engrène sans glissement les dispositifs décrits au chapitre 5. 7 - Un arbre principal de sortie sur lequel est fixé un pignon entraînant la ligne de chaîne du 25 cycle. B - Du coté opposé - Coté gauche. 1 - Un actionneur linéaire guidé comportant une face active. La pédale vient se fixer en partie 30 basse. 2 - Un composant mécanique rotatif en prise à la fois avec l'actionneur linéaire et la troisième face de l'actionneur situé du coté de la ligne de chaîne, à axe perpendiculaire aux autres mouvements rotatifs et appelé inverseur. 3 - Un dispositif de cartérisation de l'ensemble du dispositif, permettant de loger le 35 mécanisme principal innovant, les accessoires indispensables tels que roulements, bagues de guidage, joints d'étanchéité, guides auxiliaires, systèmes de fixation et de bridage sur le cadre du cycle. Le fonctionnement innovant du dispositif est tel que: 1- La mise en rotation du pignon de la ligne de chaîne du cycle est activée par les mouvements synchronisés en sens inverse des pédales gauche et droite à condition que les systèmes" roue libre" agissent en entraînement bloquant et donc que les vitesses de 45 rotation des leurs axes aient tendance à être supérieure à celle du dit pignon de chaîne. 2- Le système est actif quelle que soit l'amplitude des mouvements synchronisés et quel que soient leur point de départ et leur sens entre les limites du dispositif matérialisées par des butées. 3- Ce dispositif est caractérisé par sa "non réversibilité" et son action de coupleur à sens 50 unique quelles que soient les vitesses relatives des mouvements entrant et sortant du fait qu'il incorpore pour les deux sens d'actionnement du composant d'entrée un dispositif à "roue libre". Il agit comme un débrayage permanent possible entre l'entrée et la sortie si le dispositif entraîné se met en survitesse par rapport au dispositif moteur d'entrée. L'entraînement est un coupleur positif à condition que la vitesse du mouvement linéaire appliqué à l'entrée, traduit en mouvement rotatif interne, génère, en fonction des rapports de réduction ou de surmultiplication inhérents à la taille des composants retenus pour la construction d'un dispositif complet opérationnel, une vitesse supérieure ou égale à celle de la roue motrice du cycle. Mise en oeuvre Les deux systèmes pourront être montés soit à l'origine, à la conception même du cadre, soit mis en oeuvre par substitution sous forme de "kit" sur tous les cycles courants existants en lieu 15 et place des systèmes actuels par fixation basse sur l'axe de pédalier et par bridage sur le partie haute du cadre. En lieu et place du pédalier simple on pourra installer un pignon multiple et un système dérailleur. Le nombre de dents des pignons et l'amplitude crémaillère seront calculés pour assurer un développement suffisant. Le pignon arrière sera simple avec roue libre. * 25 Comparaison des performances par cycle pédale pour une roue de 700 Une rotation complète de manivelle ou un aller retour manivelle Désignation Système classique Système alternatif Longueur manivelle 18 cm _ _ Amplitude pédale 36 cm 31 cm Diamètre actionneur 20 cm 10 cm Nombre de dents récepteur pédalier 52 26 Dents pignon arrière 14 14 Circonférence roue motrice 2.13 m 2.13 Développement par cycle pédale 7.91 m 7.91 m Pour un même développement le diamètre du pédalier est divisé par deux. + Variante "Pousser-Tirer" Version liberté On peut imaginer pour les deux pédales gauche et droite deux convertisseurs indépendants couplés sur l'axe du pédalier récepteur et débrayables. Chaque pédale est indépendante et sera active chaque fois que les actionneurs roue libre 40 seront crantés c'est à dire chaque fois que leur vitesse sera supérieure au pédalier. Le pédalier sera également débrayable en cas d'arrêt de mouvement des pédales. Le mécanisme du coté de la ligne de chaîne appelé pédalier peut être installé en disposition symétrique du coté opposé, sans le mécanisme de synchronisation de mouvement de pédales en sens inverse ( inverseur) mais en accouplant les deux axes de sortie. Le système garde ses propriétés d'origine mais les mouvements des pédales gauche et droite sont indépendants. Le mécanisme de transformation du mouvement ( convertisseur) peut se composer d'un cadre guidé aux dentures intérieures et décalées entraînant deux systèmes "roues libres" identiques disposées sur un même axe. Celuici entraîne le pignon de la ligne de chaîne. Leur disposition 10 symétrique et la mise en oeuvre d'un système d'accouplement de leurs axes de sortie engendre les mêmes propriétés et la même indépendance des mouvements. Seront donc rendus possibles les mouvements de pédales non synchronisés, d'amplitudes différentes ou de même sens, les deux pédales montant et descendant en même temps. 15 La synchronisation en mouvement inverse restera toujours possible mais elle sera voulue et gérée par l'opérateur dans un geste naturel ou de composition. A l'innovation technique de transmission des efforts de propulsion vient s'ajouter une très 20 grande liberté dans la gestion du mouvement ou la fantaisie peut trouver toute sa place sans pour autant nuire à l'efficacité du système. Figure 12 Vue de face de la ligne de crémaillère 25 Figure 13 Détail de la ligne de crémaillère Exploitation d'autres mouvements combinés L'autre extrémité des crémaillères peut être rendue disponible et utilisée comme point d'appui de forces synchronisées et de même sens que celles s'exerçant sur les pédales en exploitant par exemple directement ou indirectement l'action du tronc ou des bras. REVENDICATIONS 1. Dispositif mécanique à haut rendement transformant un mouvement linéaire alternatif de pédales à amplitude variable en mouvement circulaire débrayable actionnant une ligne de chaîne entraînant la rotation de la roue arrière d'un cycle caractérisé en ce qu'il comporte: A - Un actionneur d'entrée, point d'application de mouvements et forces linéaires alternatifs, poussants et tirants d'amplitudes variables limités par la seule amplitude de la pédale droite et des butées haute et basse qui en limitent la course dans chaque sens et appelé ligne de crémaillère. B - Un dispositif de transformation de mouvements et forces linéaires et alternatifs appliqués sur les pédales en mouvement rotatif appelé convertisseur. C - Un dispositif de synchronisation en sens inverse du mouvement de la pédale gauche 20 appelé inverseur. D - Un arbre principal de sortie, à sens unique de rotation, quel que soit le sens et l'amplitude de déplacement des pédales. E - Un actionneur rotatif solidaire de l'arbre principal de sortie et actionnant une ligne de chaîne entraînant une roue motrice arrière de cycle. 2. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comporte: A - Du coté de la ligne de chaîne- Coté droit. 1 - Un actionneur linéaire guidé comportant trois faces actives externes symétriques. Les 3 5 pédales viennent se fixer à sa partie basse. 2 - Deux composants mécaniques rotatifs en prise réciproquement avec les faces actives de l'actionneur linéaire. 3 - Un dispositif de rotation à blocage unidirectionnel de type à roue libre équipe chacun de ces composants rotatifs dont les dispositions et les enclenchements en prise de couple positif 40 sont dans le même sens. 4 - Chacun de ces composés est traversé par un axe entraîné en rotation de même sens l'un par rapport à l'autre, de façon alternative suivant le sens montant ou descendant des pédales - Chacun de ces axes est liaisonné de façon rigide et solidaire à un composant mécanique rotatif, par exemple de type engrenage. 6 - Un composant mécanique rotatif à axe parallèle aux précédents qui engrène sans glissement les dispositifs décrits au chapitre 5. 7 - Un arbre principal de sortie sur lequel est fixé un pignon entraînant la ligne de chaîne du cycle. B - Du coté opposé - Coté gauche. 1 - Un actionneur linéaire guidé comportant une face active. La pédale vient se fixer en partie basse. 2 - Un composant mécanique rotatif en prise à la fois avec l'actionneur linéaire et la troisième face de l'actionneur situé du coté de la ligne de chaîne, à axe perpendiculaire aux autres mouvements rotatifs et appelé inverseur. 3 - Un dispositif de cartérisation de l'ensemble du dispositif, permettant de loger le 10 mécanisme principal innovant, les accessoires indispensables tels que roulements, bagues de guidage, joints d'étanchéité, guides auxiliaires, systèmes de fixation et de bridage sur le cadre du cycle. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que: Le mécanisme du coté de la ligne de chaîne appelé pédalier peut être installé en disposition symétrique du coté opposé, sans le mécanisme de synchronisation de mouvement de pédales en sens inverse ( inverseur) mais en accouplant les deux axes de 20 sortie. Le système garde ses propriétés d'origine mais les mouvements des pédales gauche et droite sont indépendants. Le mécanisme de transformation du mouvement ( convertisseur) peut se composer d'un cadre guidé aux dentures intérieures et décalées entraînant deux systèmes "roues libres" 25 identiques disposées sur un même axe, celui-ci entraînant le pignon de la ligne de chaîne, leur disposition symétrique et la mise en oeuvre d'un système d'accouplement de leurs axes de sortie engendrant les mêmes propriétés et la même indépendance des mouvements. 4. Procédé de fonctionnement du dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que: 1. La mise en rotation du pignon de la ligne de chaîne du cycle est activée par les mouvements synchronisés en sens inverse des pédales gauche et droite à condition que 35 les systèmes" roue libre" agissent en entraînement bloquant et donc que les vitesses de rotation des leurs axes aient tendance à être supérieure à celle du dit pignon de chaîne. 2. Le système est actif quelle que soit l'amplitude des mouvements synchronisés et quel que soient leur point de départ et leur sens entre les limites du dispositif matérialisées par des butées. 3. Ce dispositif est caractérisé par sa "non réversibilité" et son action de coupleur à sens unique quelles que soient les vitesses relatives des mouvements entrant et sortant du fait qu'il incorpore pour les deux sens d'actionnement du composant d'entrée un dispositif à "roue libre". Il agit comme un débrayage permanent possible entre l'entrée et la sortie si le dispositif entraîné se met en survitesse par rapport au dispositif moteur d'entrée. 4. L'entraînement est un coupleur positif à condition que la vitesse du mouvement linéaire appliqué à l'entrée, traduit en mouvement rotatif interne, génère, en fonction des rapports de réduction ou de surmultiplication inhérents à la taille des composants retenus pour la construction d'un dispositif complet opérationnel, une vitesse supérieure ou égale à celle de la roue motrice du cycle.