Brevet FR2926530A1 — publié le 20090724

TRANSMISSION A PLAGE AMPLIFIEE POUR CYCLES La présente invention concerne une transmission mécanique comprenant un mécanisme amplificateur mécanique, adapté aux cycles. 5 L'exploitation de nombreux mécanismes nécessite souvent l'emploi d'une transmission apte à fournir plusieurs rapports de transmission cinématique entre un arbre moteur tournant à une vitesse d'entrée et un arbre de sortie tournant à une vitesse de sortie. Le rapport de transmission 10 cinématique (r) est défini par le rapport de la vitesse (ou fréquence) de rotation de l'équipage de sortie (l'arbre de sortie de la transmission et les composants qui lui sont liés) sur la vitesse (ou fréquence) de rotation de l'équipage moteur (l'arbre moteur de la transmission et les composants qui lui sont liés). 15 C'est le cas par exemple de ventilateurs, appareils ménagers ou systèmes à démarrage progressifs ou à vitesse variable qui utilisent une motorisation à vitesse constante. 20 Même si l'on trouve de plus en plus souvent des moteurs à fréquence de rotation variable pilotés, les mécanismes qui offrent plusieurs rapports de transmission sont toujours utilisés, notamment pour des raisons économiques ou pour réduire la consommation d'énergie de l'installation. 25 Le cas des véhicules est encore plus pertinent. Les véhicules sont très souvent équipés de transmissions mécaniques fournissant plusieurs rapports de transmission, tels que les boîtes à vitesses, les dérailleurs ou les variateurs mécaniques de vitesse. 30 Les véhicules évoqués peuvent être soit des cycles à propulsion humaine, soit des cycles à asservissement électrique ou tout type de véhicule équipé d'un moteur. La puissance motrice peut donc être fournie soit par un utilisateur, soit par un moteur, soit par une combinaison des deux. En effet, généralement, un parcours effectué avec un véhicule, présente des particularités telles que démarrages, parcours en pente, transport de charges par exemple. Pour permettre ou pour faciliter l'utilisation d'un véhicule, la transmission de la puissance motrice vers la (ou les) roue(s) motrice(s) doit donc s'adapter aux particularités du parcours et aux variations de charge. Les moteurs seuls ou l'action humaine seule utilisés pour mouvoir les véhicules délivrent généralement un éventail de vitesses s'étendant de la vitesse minimale à la vitesse maximale. Mais cet éventail de vitesses ne suffit pas toujours pour assurer une exploitation efficace du véhicule. Par ailleurs, les moteurs délivrent le plus souvent un couple moteur qui dépend de la vitesse de rotation. II faut donc aussi en permanence adapter le couple moteur disponible (pour la vitesse d'exploitation définie) au couple nécessaire sur les roues pour mouvoir correctement le véhicule. On a alors recours soit aux boîtes de vitesses, soit aux dérailleurs, soit aux variateurs mécaniques de vitesse qui fournissent une plage de rapports (p). Pour la suite, l'appellation plage de rapports (p) est définie par le rapport entre le rapport de transmission mécanique le plus élevé (rMaxi) sur le rapport de transmission mécanique le plus faible (rm;n;) de la transmission mécanique. Ainsi, une grande plage de rapports correspond à un rapport (p) élevé. Les transmissions mécaniques les plus fréquemment utilisés pour obtenir une plage de rapports (p) adaptée sont de deux types. 5 Un premier type comprend les transmissions mécaniques à boites de vitesses. Ces systèmes offrent une pluralité de rapports cinématiques (r) différents. Ces systèmes sont soit à engrenages, soit à dérailleurs, plus rarement à courroie. Ces transmissions à boite de vitesses se 10 caractérisent par un nombre de rapports de transmission limité et par une rupture momentanée de la transmission pendant le changement de rapport. Pour changer de rapport de transmission, il faut donc un embrayage ou un mécanisme similaire de type synchroniseur ou alors il faut procéder 15 au changement de rapport avec précautions et sous faible charge, voire à l'arrêt. Souvent aussi, l'utilisateur doit donc se satisfaire d'un des rapports de transmission voisin de celui exactement souhaité, puisqu'il faut choisir l'un des rapports de transmission disponibles. 20 Un second type de transmission mécanique comprend les variateurs mécaniques de vitesse. Ces variateurs utilisent le plus souvent une transmission par adhérence. Les variateurs se caractérisent par une transmission des mouvements de rotation sans rupture de transmission et 25 par l'obtention du rapport de transmission (r) exactement souhaité. Cependant, pour les variateurs mécaniques de vitesse, la plage de rapports (p) est généralement modeste parce que l'entraînement par adhérence affecte rapidement le rendement de cette transmission lorsque 30 le rapport de transmission cinématique (r) s'éloigne du rapport unité (r = 1). 3 Par ailleurs, l'encombrement du variateur mécanique de vitesse et la course de la commande du variateur augmentent à peu près proportionnellement à la plage de rapports (p) du variateur. La réactivité du variateur mécanique de vitesses, propriété qui consiste à passer rapidement d'un rapport de transmission (r) à un autre rapport (r') très différent, n'est en général pas très bonne. Enfin, l'utilisation de l'adhérence pour assurer la transmission du 10 mouvement dans un variateur mécanique de vitesse nécessite un effort presseur important qui entraîne une construction résistante et lourde. On trouve cependant des variateurs à chaîne (brevet N° FR 1.342.041 ou brevet N° FR 2881498 par exemple) qui ne nécessitent pas 15 cet effort presseur important. Cependant, leur plage de variation (p) est limitée par la différence de pas entre les dentures qu'ils utilisent. Ces deux types de transmission mécanique (les boites de vitesses et les variateurs de vitesse) seront identifiés par la suite comme des 20 transmissions à plusieurs rapports. Le but de l'invention est alors de proposer une transmission à plage amplifiée permettant d'amplifier la plage de rapports cinématiques d'une transmission à plusieurs rapports et qui ne présente pas les inconvénients 25 précités. Ce mécanisme de transmission à plage amplifiée a aussi pour but de réduire les charges appliquées à la transmission à plusieurs rapports utilisée dans la de transmission à plage amplifiée. 30 A cet effet, l'invention a pour objet un mécanisme de transmission à plage amplifiée pour cycles, motorisés ou non, comprenant (au moins) : - un arbre d'entrée (l'arbre d'entrée du mécanisme) auquel est transmis le mouvement moteur venant d'un pédalier, d'un moteur ou d'un pédalier assisté par un moteur, - un arbre de sortie (l'arbre de sortie du mécanisme) qui transmet son mouvement à au moins une roue motrice, - et un système de commande (le système de commande du mécanisme) qui permet le changement du rapport de transmission du 10 mécanisme, caractérisé en ce qu'il comprend de plus : - une transmission mécanique à plusieurs rapports ayant un arbre d'entrée (l'arbre d'entrée de la transmission), un arbre de sortie (l'arbre de sortie de la transmission) et un système de commande (le système de commande de la transmission) qui permet d'obtenir au moins deux 15 rapports de transmission différents entre l'arbre d'entrée de la transmission et l'arbre de sortie de la transmission, les différents rapports étant obtenus directement ou indirectement par le système de commande du mécanisme, - et un système amplificateur mécanique à train épicycloïdal 20 comprenant deux planétaires et un porte satellite agencés de telle manière que : premièrement, l'arbre d'entrée du mécanisme transmet un mouvement au porte satellites et un mouvement qui peut être différent à l'un des deux arbres de la transmission, 25 deuxièmement, l'arbre de sortie du mécanisme est relié à l'un des deux planétaires du train épicycloïdal troisièmement, une transmission mécanique est installée entre l'autre planétaire du train épicycloïdal et l'autre arbre de la transmission. 30 Un deuxième agencement possible est caractérisé en ce que : premièrement, l'arbre d'entrée du mécanisme transmet un mouvement à l'un des planétaires et un mouvement qui peut être différent à l'un des deux arbres de la transmission, deuxièmement l'arbre de sortie du mécanisme est relié à l'autre 5 planétaire du train épicycloïdal troisièmement, une transmission mécanique est installée entre le porte satellites du train épicycloïdal et l'autre arbre de la transmission. Un troisième agencement possible est caractérisé en ce que : 10 premièrement, l'arbre d'entrée du mécanisme transmet un mouvement à l'un des planétaires et un mouvement qui peut être différent à l'un des deux arbres de la transmission, deuxièmement l'arbre de sortie du mécanisme est relié au porte satellites du train épicycloïdal 15 troisièmement, une transmission mécanique est installée entre l'autre planétaire du train épicycloïdal et l'autre arbre de la transmission. Le train épicycloïdal utilisé dans la transmission à plage amplifiée comprend un mécanisme d'engrènement à trois éléments coaxiaux à un 20 axe principal, deux de ces éléments coaxiaux étant des roues dentées aptes à tourner à des vitesses différentes sur l'axe principal, ce sont les planétaires, le troisième élément coaxial, appelé porte satellites lui aussi apte à tourner à une vitesse encore différente sur l'axe principal supporte un ou plusieurs pignons dentés appelés satellites guidés en rotation 25 autour d'axes secondaires, parallèles à l'axe principal, chacun de ces satellites engrenant respectivement avec les deux planétaires précédents. La transmission à plage amplifiée obtenue, avec l'un ou l'autre des agencements définis donne sur l'arbre de sortie du mécanisme de 30 transmission à plage amplifiée une plage de variation (p') différente de celle de la transmission à plusieurs rapports ayant une plage de rapports (p). La transmission à plage amplifiée est donc identifié par son coefficient d'amplification caractéristique (g) défini par le rapport (p') sur (p). Il est précisé ici que le coefficient d'amplification (g) peut être plus grand que l'unité (g > 1), ce qui caractérise bien une amplification de la plage de rapports de transmission (p' > p), mais aussi que ce rapport d'amplification (g) peut aussi être plus petit que l'unité (g Avec ce mécanisme, les efforts supportés par la transmission à plusieurs rapports, utilisée dans la transmission à plage amplifiée, sont plus faibles que ceux qui auraient été supportés par une transmission à plusieurs rapports seule assurant la même plage de rapports de transmission (p'). Avec ce mécanisme de transmission à plage amplifiée, les courses de commande de la transmission à plusieurs rapports, utilisée dans la transmission à plage amplifiée, sont plus faibles que celles qui auraient été nécessaires sur une transmission à plusieurs rapports seule assurant la même plage de rapports de transmission (p'). Le mécanisme de transmission à plage amplifiée, permet donc de concevoir une transmission à large plage de rapports de transmission avec une transmission à plusieurs rapports plus simple, moins encombrante, plus légère, plus économique.30 Les deux avantages � effort plus faible � et � course plus faible � sont appréciables pour les variateurs qui utilisent des courroies puisque la transmission à plage amplifiée permet d'adopter des courroies moins larges, de section plus faibles, offrant par conséquence un rayon minimal de courbure lui aussi plus faible. Avec une transmission à plage amplifiée dont le coefficient d'amplification (g) est plus grand que l'unité (g > 1), la réactivité précédemment définie est bien meilleure, puisqu'un faible changement de rapport de transmission de la transmission à plusieurs rapports (Ap) se traduit par un changement de rapport de transmission (op') bien plus grand. En effet, (Ap') est égal à (g) que multiplie (Ap). Avec une boîte à vitesses, ou un variateur à rendement élevé comme par exemple un variateur à chaîne ou tout autre mécanisme de variation de vitesse utilisant l'entraînement par obstacle plutôt que l'entraînement par adhérence, on peut aussi concevoir une transmission à plage amplifiée avec un rendement très bon. Avec une transmission à plage amplifiée, le changement de rapport peut s'effectuer avec des charges plus élevées que pour la transmission à plusieurs rapports seule puisque dans la transmission à plage amplifiée la partie transmission à plusieurs rapports est moins sollicitée. Le mécanisme utilisé pour la transmission à plage amplifiée permet d'obtenir ces propriétés avec une fabrication et un assemblage faciles. Le mécanisme de transmission à plage amplifiée ainsi décrit peut être utilisé simplement pour augmenter la plage de rapports (p) d'un transmission à plusieurs rapports, mais les applications privilégiées seront les agencements qui conduiront à une réduction des charges appliquées à la transmission à plusieurs rapports. Cette deuxième application est particulièrement adaptée aux transmissions de scooter ou aux engins à transmission continue (CVT). L'étendue de la plage de rapports, la précision du rapport obtenu et la réactivité de la transmission à plage amplifiée sont des propriétés très attractives pour tous les véhicules à propulsion humaine. La présente invention concerne également les caractéristiques qui l0 ressortiront au cours de la description qui va suivre, et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniques possibles. Cette description, donnée à titre d'exemple non limitatif fera mieux 15 comprendre comment l'invention peut être réalisée, en référence aux dessins annexés sur lesquels : La figure 1 montre un schéma synoptique d'une transmission à plage amplifiée. La figure 2 montre un schéma d'une boîte à 3 vitesses. 20 La figure 3 montre le schéma d'un variateur mécanique de vitesses. La figure 4 montre un schéma d'un train à engrenage épicycloïdal. La figure 5 montre un mode de réalisation d'une transmission à plage amplifiée de type variateur. La figure 6 montre une représentation synoptique d'une transmission 25 à plage amplifiée. La figure 7 montre une disposition possible pour une transmission à plage amplifiée de type boîte de vitesses. Les figures 8 et 9 montrent deux exemples d'application d'une transmission à plage amplifiée sur une bicyclette. 30 La figure 1 montre un schéma synoptique d'une transmission à plage amplifiée. La transmission à plage amplifiée comprend un arbre d'entrée (1) et un arbre de sortie (2). La fonction de ces deux arbres (entrée I sortie) peut être inversée (sortie I entrée) La transmission à plage amplifiée comprend aussi les deux mécanismes précédemment évoqués : une transmission à plusieurs rapports (3) dont la plage de rapports de transmission est (p) et un mécanisme d'engrènement épicycloïdal (4) à trois éléments coaxiaux à l'axe principal (44), qui déterminera le coefficient caractéristique de l'amplification (g) ; Seuls deux des trois éléments coaxiaux sont représentés ici : il s'agit des éléments (41) et (43). Le troisième élément coaxial à l'arbre principal (44) reste interne au mécanisme (4) : il est repéré (42) par des tirets interrompus courts. Enfin, le dispositif comprend un système assurant un entraînement en rotation entre l'arbre (2) et l'élément (43). Cet entraînement est assuré soit par une courroie une chaîne ou un câble (5) , soit par un engrènement. C'est cet entraînement qui, associé à la transmission interne entre la transmission à plusieurs rapports (3) et au mécanisme d'engrènement (4), réalise l'amplification caractéristique de la transmission à plage amplifiée. Le la transmission à plage amplifiée est installé dans un carter (9). La figure 2 représente un schéma d'une boîte à 3 vitesses, offrant trois rapport de transmission entre les deux arbres (31) et (32) , un premier rapport selon la figure 2 ù a, un deuxième rapport selon la figure 2 ù b et un troisième rapport selon la figure 2 ù c. La commande du changement de rapport est obtenue par le déplacement de l'arbre de commande (33). Le passage d'un rapport à l'autre ne peut pas s'effectuer sous charge élevée. La figure 3 représente le schéma d'un variateur mécanique de vitesses. Il comprend les deux arbres (31) et (32) équipés respectivement des poulies coniques (311) et (321). Ce variateur offre une plage (p) de rapports de transmission s'étendant du rapport de transmission maximal égal à [D / d] (figure 3 ù a) et le rapport de transmission minimal égal à [d I D] (figure 3 ù b). Le changement de rapport de transmission est obtenu par le déplacement du lien flexible (34), commandé par la commande (33). Ce mécanisme impose une tension assez élevée du lien flexible (34) pour avoir une bonne adhérence fonctionnelle du lien flexible (34) sur les deux poulies coniques (311) et (321). La figure 4 représente un schéma d'un train à engrenage épicycloïdal Le train épicycloïdal comprend un mécanisme d'engrènement à trois éléments coaxiaux à l'axe principal (44). Dans la configuration représentée, l'un de ces éléments coaxiaux est la roue dentée (41) liée à l'axe principal, un autre des éléments coaxiaux est la roue dentée (43) apte à tourner à une vitesse différente de celle de l'axe principal . Ces deux roues (41) et (43) sont les planétaires. Le troisième élément coaxial (45), appelé porte satellites lui aussi apte à tourner à une vitesse encore différente sur l'axe principal supporte un ou plusieurs pignons dentés (46) appelés satellites guidés en rotation autour d'axes secondaires (451), parallèles à l'axe principal, chacun de ces satellites engrenant respectivement avec les deux planétaires (41) et (43) précédents. Les deux planétaires (41) et (43) sont commandés par des transmissions respectivement liées à (441) et (431). Le porte satellites (45) est commandé par une transmission liée à (452). La figure 5 montre un mode de réalisation d'un amplificateur cinématique de coefficient g. La plage initiale du variateur seul est p. Avec l'amplificateur, la plage obtenue est alors égale à p' = g x p. Le variateur utilisé selon ce mode de construction est un variateur à courroie trapézoïdale et à quatre plateaux coniques (312), (313), (322) et (323) définissant des enroulements de diamètre variable sur chacun des deux étages (31) et (32). Sa plage de variation est p. Cette plage est ici obtenue simplement avec une courroie étroite (34). Il est cependant possible d'utiliser un variateur à chaîne, de cinématique identique, pour lequel la courroie (34) est remplacée par une chaîne et les plateaux coniques (312), (313), (322) et (323) remplacés par des plateaux coniques dentés. Les différents diamètres d'enroulement sur les cônes (312), (313), (322) et (323) sont obtenus par le déplacement axial simultané des deux écrous (331) et (332), eux-mêmes commandés ici par la chaîne (333). Cette commande peut aussi bien être assurée par une courroie crantée, par un câble tendu ou par engrenage. Pour des vitesses plus élevées, cette commande peut également être réalisée par des billes centrifuges, telles que celles que l'on trouve notamment sur les variateurs vitesse de scooters ou de véhicules à transmission continue (CVT). Le variateur est ici entraîné par la roue (452) qui entraîne la chaîne 20 (7) puis le double plateaux coniques (312) et (313) par l'intermédiaire de la roue (314). Le variateur entraîne alors le pignon (41), coaxial à l'arbre principal (44). L'engrènement est constitué d'une part de la roue dentée (41), 25 d'autre part de la roue dentée (43) et enfin des pignons (46) qui engrènent avec les deux roues dentées précédentes, ces pignons (46) étant guidés en rotation autour des axes (451), parallèles à l'axe principal (44). Cet agencement donne en définitive un module amplificateur 30 cinématique recevant une vitesse motrice de la part de la chaîne d'entrée repérée (453) et délivrant sur la chaîne de sortie repérée (432) une plage de rapports étendue p'. Ce système peut donc s'installer sur toute chaîne cinématique requérant une plage étendue de rapports de transmission. On peut citer le cas des scooters, des véhicules à transmission continue (CVT) ou tous les cycles et véhicules à propulsion humaine. La figure 6 montre une représentation synoptique d'une transmission à plage amplifiée. L'échelle verticale est graduée selon des valeurs croissantes de rapports de transmission. La transmission à plusieurs rapports (3) fournit la plage de rapports (p) s'étendant de la valeur (35) à la valeur (36). Avec le mécanisme d'amplification à engrenages (4), la plage de rapports de transmission s'établit à une valeur (p') plus grande que (p), s'étendant de la valeur (37) à la valeur (38). La plage de variation (p) peut être constituée d'un nombre infini de rapports différents. C'est la cas des variateurs. La plage de variation (p) peut aussi être constituée de plusieurs rapports différents en nombre fini, c'est le cas des boîtes de vitesse. Ce cas de figure est représenté par les traits interrompus courts. La figure 7 montre une disposition possible pour une transmission à plage amplifiée de type boîte de vitesses. La boîte de vitesses (3) fournit plusieurs rapports de vitesses (au moins deux) entre l'arbre (31) et l'arbre (32). La plage des rapports de cette boîte de vitesses est (p). Selon la disposition adoptée ici, l'arbre (32) est lié au planétaire (41) et le porte satellites (45) est entrainé par une transmission (453) choisie pour obtenir l'amplification de la plage souhaitée. La planétaire (43) est lié à une transmission de sortie qui offre alors une transmission à plage amplifiée (p') différente de (p). 13 Cette solution est très intéressante pour la conception de boîtes de vitesses de petite dimension utilisable sur des cycles. C'est ce que montre la figure 8 et la figure 9. Sur la figure 8, le boitier (9) qui comprend une transmission à plage amplifiée est autonome et fixé ensuite sur le cadre d'une bicyclette. La transmission (91) est reliée au pédalier par un chaîne. Cette transmission peut également être réalisée par courroie ou par engrenage. La transmission (92) est reliée à la roue motrice de la bicyclette . Sur la figure 9, le boitier (9) qui comprend une transmission à plage amplifiée est intégré au cadre d'une bicyclette. L'entraînement de la transmission à plage amplifiée est directement assurée par les pédales (93). La transmission (92) est reliée à la roue motrice de la bicyclette . Revendications 1 . Mécanisme de transmission amplifiée (amplificateur) pour cycles, motorisés ou non, comprenant (au moins) : - un arbre d'entrée (1) auquel est transmis le mouvement moteur venant d'un pédalier, d'un moteur ou d'un pédalier assisté par un moteur, - un arbre de sortie (2) qui transmet son mouvement à au moins une roue motrice, - et un système de commande (333) qui permet le changement du rapport de transmission du mécanisme, caractérisé en ce qu'il comprend de plus : - une transmission mécanique à plusieurs rapports (3) ayant un arbre d'entrée (31), un arbre de sortie (32) et un système de commande (33) qui permet d'obtenir au moins deux rapports de transmission différents entre l'arbre d'entrée de la transmission(31) et l'arbre de sortie de la transmission (32), les différents rapports étant obtenus directement ou indirectement par le système de commande du mécanisme (333), - et un système amplificateur mécanique à train épicycloïdal (4) comprenant deux planétaires (41) et (43) et un porte satellite (45), agencés de telle manière que : premièrement, l'arbre d'entrée du mécanisme (1) transmet un mouvement au porte satellites (45) et un mouvement qui peut être différent à l'un des deux arbres de la transmission, (31) par exemple, deuxièmement, l'arbre de sortie du mécanisme (2) est relié à l'un des deux planétaires du train épicycloïdal, (41) par exemple, troisièmement, une transmission mécanique est installée entre l'autre planétaire du train épicycloïdal, (43) dans ce cas, et l'autre arbre de la transmission, (32) dans ce cas.30 2 - Mécanisme selon la revendication 1 caractérisé en ce que : premièrement, l'arbre d'entrée du mécanisme (1) transmet un mouvement à l'un des planétaires, (41) par exemple, et un mouvement qui peut être différent à l'un des deux arbres de la transmission, (31) par exemple, deuxièmement l'arbre de sortie du mécanisme (2) est relié à l'autre planétaire du train épicycloïdal, (43) dans ce cas, troisièmement, une transmission mécanique est installée entre le porte satellites (45) du train épicycloïdal et l'autre arbre de la transmission, 10 (32) dans ce cas. 3 - Mécanisme selon la revendication 1 caractérisé en ce que : premièrement, l'arbre d'entrée du mécanisme (1) transmet un mouvement à l'un des planétaires, (41) par exemple, et un mouvement qui 15 peut être différent à l'un des deux arbres de la transmission, (31) par exemple, deuxièmement l'arbre de sortie du mécanisme (2) est relié au porte satellites (45) du train épicycloïdal, troisièmement, une transmission mécanique est installée entre l'autre 20 planétaire du train épicycloïdal, (43) dans ce cas, et l'autre arbre de la transmission, (32) dans ce cas. 4 - Mécanisme selon la revendication 1, 2 et 3 caractérisé en ce que la transmission mécanique (3) est un variateur à friction. 5 - Mécanisme selon la revendication 1, 2 et 3 caractérisé en ce que la transmission mécanique (3) est un variateur à chaîne. 6 - Mécanisme selon la revendication 1, 2 et 3 caractérisé en ce que 30 la transmission mécanique (3) est une boîte de vitesses. 25 7 - Mécanisme selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le mécanisme de transmission à plage amplifiée est assemblé dans un carter autonome (9), assemblé sur un cycle. 8 - Mécanisme selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le mécanisme de transmission à plage amplifiée est assemblé dans un carter (9) constitutif du cycle.