Brevet FR2866405A1 — publié le 20050819

La présente invention concerne la modification d'un élément de la cinématique du système de transformation du travail fourni sur tous les engins mûs à l'aide de manivelles ou de pédales entraînant une chaîne par l'intermédiaire d'un plateau denté en particulier sur les cycles. Il est notoire que sur les cycles,dans leur configuration actuelle,le travail fourni par la jambe sur la pédale lorsque la manivelle est en position haute nécessite un effort très important pour transformer le mouvement de poussée en mouvement de rotation du plateau denté qui engrèn_ ne la chaîne entraînant la roue motrice. Schématiquement,la cinématique de la transformation du mouvement alternatif des jambes actionnant les pédales en mouvement de rotation du plateau denté qui est traditionnel- lement circulaire,est comparable à celle du système pistonbielle- manivelle de vilebrequin appliqué sur les moteurs à explosion. A la position haute de la pédale en début de pédalage, correspondant au "Point Mort Haut"(P.M.H.) du moteur au mo- ment où se produit l'explosion,pour un effort fourni extrème ment important,sa transformation ne permet d'obtenir qu'un "couple-moteur" proportionnellement très faible. Au fur et à mesure de la descente de la jambe,le "couple moteur"résultant augmente et devient important puis maximum lorsque la direction de la poussée de la jambe passe tangentiellement au cercle décrit par la pédale vers la fin du premier quart de tour du pédalage, puis diminue progressive-ment pour devenir nul à la fin du premier demi tour du pédalage, c'est à dire à son "Point Mort Bas"(P.M.B). Un diagramme de la force nécessaire fournie par la jambe établi en fonction de la position angulaire de la manivelle de pédale montre que pour obtenir un "couple-moteur"quelconque mais constant sur le plateau de pédalier,la force à éxercer sur la pédale au cours des dix premiers degrés de rota- tion du pédalier est plus de quinze fois supérieure à celle nécessaire en fin du premier quart de tour de pédalage. Seule la courbe de l'intensité de la force nécessaire en fonction des angles de rotation du pédalier figure dans le graphique (Fig.1)et révèle que le secteur angulaire efficace se situe entre les 30 et 140 premiers degrés du pédalage. 2866405 -2- Le second demi-tour de pédalage correspondant à la remon_ tée de la pédale vers le P.M.H.ne génère aucun couple moteur mais par contre engendre une fatigue inutile de la jambe pendant que l'autre jambe amorce le travail de poussée violente sur la pédale opposée. Pratiquement,le couple-moteur appliqué sur le pédalier ne peut être que irrégulier et exercé par à-coups violents. Pour atténuer la fatigue excessive due au travail des jambes fourni par àcoups violents et irréguliers,il est devenu de plus en plus courant de démultiplier l'intensité des efforts nécessaires en multipliant le nombre de rapports de vitesses,ce qui a pour conséquence négative,en augmentant le nombre de tours de pédales d'augmenter d'autant le moulinage inutile des jambes dans le secteur nul de pédalage et d'accroître une fatigue déja importante. La solution, idéale mais impossible,serait de disposer de deux plateaux de diamètres différents dans le même tour de pédalage et d'utiliser alternativement le plateau de petit diamètre (1)Fig.2, dans le secteur du P.M.H. en début de pédalage,puis celui de diamètre plus grand (2)Fig.3 dans le secteur le plus efficace. La présente invention a donc pour but de diminuer la somme de ces fatigues en réduisant l'intensité des efforts violents du début de pédalage pour franchir le P.M.H.et de mieux répartir le travail de poussée dans la portion efficace du pédalage,c'est à dire vers le premier quart de tour de rotation du pédalier. Pour parvenir à ce but cette invention consiste à modifier la cinématique du système de transformation du mouve- ment en modifiant de façon évolutive,pendant la rotation du pédalier,le rapport (X) entre la longueur(L)de manivelle(3) de pédale et le rayon (R) du plateau denté.(X=L/R). Fig2 et Fig3, de sorte que ce rapport soit le plus grand lors de l'engrènement de la dent(4)du plateau qui attaque la chaîne (5)au moment du passage au P.M.H., et soit le plus petit dans le quart de tour suivant,c'est à dire au passage du secteur de grande efficacité; La longueur de la manivelle ne pouvant que rester constante, seul le rayon du plateau denté peut être rendu variable.Le remplacement du plateau denté 2866405 -3- circulaire par un plateau denté de forme OVALIQUE doit per-mettre d'obtenir le résultat recherché. L'ovale à utiliser pour la conception de ce plateau est dit de "dessin" ou "ovalique".C'est une courbe convexe fer- mée,qui n'est pas elliptique,qui n'a pas de formule ou équation mathématique mais qui s'obtient par un tracé dont les principes sont géométriquement démontrés. La courbe, formée par le raccordement de quatre arcs de cercles égaux et opposés deux à deux est la seule, autre que le cercle, qui présente les caractéristiques nécessaires et indispensables pour répondre parfaitement à la résolution mécanique et industrielle du problème posé. Ses caractéristiques permettent de l'assimiler à la périphérie primitive d'une denture de plateau denté de forme ova- lique comparativement au cercle primitif d'un plateau denté circulaire comportant le même nombre de dents d'un même pas circonférentiel donc de même module. Cette courbe ovalique Fig.6,s'obtient selon la méthode suivante établie classiquement: _ le grand axe A-A' de l'ovale étant fixé,on le partage en trois segments égaux: (A-O)=(O-0')=(O'-A'). des points O et O'comme centres et avec (O-A)égal(O'-A') comme rayons,on décrit des arcs de cercles qui se rencontrent en B et B'. _ on joint B-O que l'on prolonge en C sur le premier arc puis B-O'que l'on prolonge en C'sur le second arc,puis B'O D et B'O'D' . _des points B et B'comme centres et avec (B-C)et(B'-D')comme rayons qui correspondent aux diamètres D B'etD'B'des deux premiers arcs C.A.D.et C'. A'.D'.on trace les arcs de cercles D.D'et C.C'. la droite joignant B.B'.coupe l'arc D.D'.en E et l'arc C.C'en E'. Le segment E.E'est médian du segment A.A' en F. Les quatre arcs C.A D.,D.E. D',D'A'C'et C'E'C.se joignent et se raccordent parfaitement en D,D',C'et C qui sont respectivement les points de tangence communs aux quatre arcs qui constituent la courbe ovalique recherchée. Dans ce cas précis de la construction de cette courbe le triangle O.B. O'est équilatéral car(O.B.)=(O'B)=(O.O') d'où: 40, les angles C.B.C' et D. B'D' font 60 . .../... 2866405 -4- les angles C.O.D. et C'O'D' font 120 . Compte tenu du fait que les rayons des arcs D.E.D' et C.E.C'.sont les diamètres des arcs C.A.D.et D'A'C',les quatre arcs sont de longueur égale. Les propriétés particulières à cette courbe,telle qu'elle est obtenue sont que: le segment A.A'est le grand axe de symétrie et E.E'le petit axe de symétrie. Ils sont réciproquement médiateurs à leur intersection au point F. Cepoint F.est le centre de la courbe à la quelle il permet une rotation autour de lui même toute autre droite que les axes passant par ce point F. partage la périphérie de l'ovale en deux parties non symétriques mais de longueurs égales et constantes. les points de centres des quatre arcs sont inscrits dans 15 la surface intérieure de la courbe et peuvent servir de repères-pilotes pour tout usinage du plateau denté. Les caractéristiques géométriques de la courbe autorisent bien de l'assimiler à la périphérie primitive de la denture d'un plateau denté de forme ovalique comparativement au cer- cle primitif d'un plateau denté circulaire. Cette assimilation permet ainsi de réaliser une denture avec un module constant sur toute la périphérie du plateau et avec un profil de dent propre à chacun des arcs,égaux et opposés deux à deux,dont l'usinage est facilité par la pré- sence des points de centres inscrits sur les axes de symétrie à l'intérieur de l'ovale. Par les caractéristiques géométriques satisfaisantes de l'ovale,la création de plateaux ovaliques dentés doit résoudre les problèmes posés par les plateaux dentés circulaires. Pour confirmer matériellement la faisabilité et les avantages de cette nouvelle conception de plateau denté de forme ovalique,un plateau de trente deux dents a été réalisé. Ce plateau est représenté seul(7) à l'échelle 1 avec sa périphérie primitive(8)Fig.7 puis comparativement avec,en pointillé un plateau circulaire également de trente deux dents(9) et leurs cercles primitifs respectifs (8) et (10) Fig.8. Ce plateau a été réalisé en raccordant sur un support lui même ovalique, des segments d'arcs dentés prélevés sur des plateaux circulaires dont les diamètres primitifs correspon- dent à ceux des arcs de cercles qui composent la denture ovalique recherchée_ Les quatre arcs de cercles devant constituer le plateau étant de même longueur,chacun doit comporter le même nombre de dents, c'est à dire 32:4 = 8 dents: les deux secteurs de 120 qui comportent 8 dents proviennent d'un plateau circulaire de (8x360 ):120 = 24 dents. les deux secteurs de 60 qui comportent aussi 8 dents pro viennent d'un plateau circulaire de (8x360 ):60 = 48 dents. Ce plateau a été fixé sur l'axe de pédalier en alignant le petit axe E.E' de l'ovale parallèlement avec la manivelle de pédale,de sorte que le rapport(ou quotient) X'= R; soit le plus grand possible et que le grand axe A.A'soit perpendiculaire à la manivelle pour que le rapport(ou quotient) X" = R soit le plus petit possible. L'essai du cycle équipé du plateau denté ovalique(7)jumelé sur le même axe de pédalier avec un plateau denté circulaire(9)également de 32 dents a confirmé par comparaison entre les deux plateaux une forte diminution de l'effort au passage du P.M.H. du pédalage sans pour cela accroître l'effort au cours de la suite du mouvement dans le quart de tour suivant du pédalage,c'est à dire dans le secteur de meilleur rendement et de plus grande efficacité. Cet essai a fait apparaître un "écrasement" de l'écart entre l'effort maximum et l'effort minimum confirmant ainsi la meilleure répartition attendue de ces efforts. La portion de chaîne(5) engrènée sur le plateau étant d'une longueur constante égale à la demi-périphérie primiti- ve du plateau ovalique(7)le segment de chaîne(5)entre la sor tie de plateau et la roue motrice ne subit aucune variation de longueur et n'entraîne aucune action sur le dérailleur arrière. Le plateau ovalique(7)denté satisfait donc bien le besoin ressenti d'utiliser un plateau denté de petit diamètre au passage dans le secteur du P.M.H.du pédalage et d'utiliser ensuite un plateau de plus grand diamètre dans le secteur suivant plus efficace et de meilleur rendement. Le résultat obtenu justifie pleinement le principe de la création de plateaux dentés de forme ovalique pour rempla cer les traditionnels plateaux dentés circulaires moins ef ficaces et moins performants en particulier sur les cycles. A l'instar des cycles actuels,plusieurs plateaux ovaliques(7)dentés étagés peuvent être montés sur le même axe de pédalier,en respectant la même orientation entre les grands axes A.A'et entre les petits axes E.E' de l'ovale des plateaux(7) pour faciliter le passage de la chaîne(5) lors de l'utilisation du dérailleur des plateaux ovaliques(7). La liaison du ou des plateaux ovaliques(7) avec l'axe de pédalier peut être réalisée avec une possibilité de réglage angulaire de l'alignement du petit axe E.E'de l'ovale avec l'alignement de la manivelle(3) d'environ +/- 12 correspondant à +/- une dent dans le but d'adapter la position d'atta que du pédalage à la morphologie de l'utilisateur. Indépendamment du nombre souhaité de dents,l'ovalité des plateaux(7)liée à l'écart dimensionnel entre le grand axe A.A'et le petit axe E.E'de l'ovale,peut être déterminée par le rapport choisi de l'écrasement des efforts nécessaires et de leur répartition angulaire dans le pédalage. Dans la description du tracé de l'ovale,l'égalité des trois segments composant l'axe A.A'.est indicative et non impérative: le segment central 0.O'.peut être différent des segments A.O. et 0.0'.,par contre il est impératif que ce segment reste compris dans la limite de:A.O+O'A'>O.O'> zéro pour que les intersections des deux premiers arcs puissent exister en B et B'qui sont des points conditionnant la possi bilité de continuer la suite du tracé de cette courbe. La dimension accordée au segment O.O'par rapport aux rayons O.A=O'A' permet d'obtenir l'ovalité et les caractéris- tiques dimensionelles de la courbe ovalique souhaitée. 2866405 -7- REVENDICATIONS 1) Plateau denté d'entraînement de chaîne (5) caractérisé en ce qu'il est de forme "ovalique" (7) et remplace les plateaux circulaires sur les engins mûs à l'aide de manivelles ou de pédales comme sur les cycles. 2) Plateau denté ovalique (7) selon la revendication 1 caractérisé en ce que son tracé ovalique est réalisé selon la méthode encyclopédique de dessin géométriquement définie et connue pour obtenir quatre arcs de cercles égaux et opposés deux à deux: (CAD≥ 3) Plateau denté ovalique (7) selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la périphérie dite primitive (8) de la denture (Fig 7 et 8) du plateau ovalique (7) (comparativement au cercle primitif (10) (Fig 8) des dentures de plateaux dentés circulaires (9)) est calculée en fonction du nombre souhaité de dents sur le plateau. 4) Plateau denté ovalique (7) selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que les points de centres O, O', B et B' des quatre arcs qui constituent la périphérie primitive (8) de la denture sont placés sur les axes de symétrie A.A' et E.E' de la courbe ovalique et sont inscrits à l'intérieur de la courbe et de ce fait servent de repères pilotes de centrages pour l'usinage des quatre arcs dentés qui constituent la denture du plateau denté ovalique (7) 5) Plateau denté ovalique (7) selon les revendications 1, 2, 3 et 4 caractérisé en ce que les quatre arcs dentés égaux et opposés deux à deux, qui constituent la denture ont le même module 6) Pédalier caractérisé en ce qu'il comporte un plateau ovalique (7) selon les revendications 1, 2 et 4 dont la direction du petit axe E.E' de l'ovale du plateau est alignée parallèlement avec l'alignement de la manivelle (3) de pédale pour que le rapport (ou quotient) X'= RÉ soit le plus grand, (Fig 2 et 4) et que le rapport (ou quotient) X"= R soit le plus petit (Fig 3 et 5) 7) Plateau denté ovalique (7) selon la revendication 1 dont le seyment central 0.0' du grand axe A.A' de l'ovale (A.A' =A.O + 0.0'+ O'.A') (Fig 9) est caractérisé en ce qu'il peut être différent des segments A.O = O'. A' mais qu'il doit être compris entre (A.O + 0.0') et zéro. 8) Pédalier selon la revendication 6 caractérisé en ce que plusieurs plateaux dentés ovaliques (7) étagés en fonction du nombre de dents peuvent être associés et solidarisés en rotation sur le même axe de pédalier en respectant le parallélisme entre les petits axes E.E' de symétrie de l'ovale de chacun des différents plateaux et leur parallélisme avec l'alignement de la manivelle (3) de pédale. 9) Pédalier selon les revendications 6 et 8 dont la solidarisation de l'axe de rotation avec les plateaux dentés ovaliques (7) est réalisée en tenant compte d'une possibilité de réglage d'une orientation angulaire du petit axe E.E' de l'ovale des plateaux dentés ovaliques (7) par rapport à l'alignement de la manivelle (3) de pédale d'environ +/- 12 correspondant à un décalage de +/- une dent du plateau ovalique (7) pour adapter le pédalage à la morphologie de l'utilisateur.