Brevet FR3082581A1 — publié le 20191220

Description Titre de l'invention : Transmission mécanique Domaine technique [1] L'invention est une transmission mécanique pouvant fonctionner exclusivement par engrenages. [2] Dans sa mise en oeuvre la plus simple, elle transforme un mouvement de va et vient en un mouvement de rotation, ou un mouvement de rotation en un autre mouvement de va et vient, et elle est réciproque. [3] Dans une mise en oeuvre plus complète, elle transforme un mouvement de rotation en un autre mouvement de rotation qui peut être parfaitement homocinétique, elle peut être à variation continue, et son rapport de transmission peut être nul, ce qui permet de se passer d'embrayage. Problème technique [4] L'objectif est de remplacer les transmissions traditionnelles par une autre, engendrant moins de frottements, permettant à l'homme de l'art de définir plus librement l'évolution du rapport de transmission au cours d'un cycle, et beaucoup plus simple, plus légère, moins volumineuse et moins coûteuse à fabriquer. Technique antérieure [5] La combinaison d'une bielle et d'un vilebrequin est à ce jour la principale méthode qui permette de propulser un vélo ou une auto à pédales avec le mouvement alternatif des jambes de l'utilisateur. Elle est aussi celle qui est utilisée pour transmettre le-mouvement des pistons à la roue de sortie d'un-moteur thermique. [6] On connait la demande de brevet FR1870686 de Franck Guigan [FR] du 13 juin 2018. Cette transmission ne permet pas de transformer un mouvement de rotation en mouvement de va et vient. Brève description des dessins [7] L'invention sera bien comprise, et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, laquelle est illustrée par les figures 1 à 6 qui représentent toutes des dispositifs ou parties de dispositifs selon l'invention. [8] [fig.1] est une vue en perspective d'une transmission selon l'invention, comportant - un arbre rotatif 100 muni d'une roue d'entrainement 1000 - une bielle 105 munie d'une surface de coopération 1020 avec la roue d'entraînement 1000, d'une liaison primaire 1021 avec un piston 1210, d'un guide de bielle1022 lui-même muni d'un roulement à billes 1220, - et un guide fixe 1003 coopérant avec le roulement à billes 1220. [9] [fig.2] est une vue en perspective d'une partie de transmission dont le guide de bielle1022 n'est pas muni d'un roulement à bille et est situé à un emplacement différent de la bielle 105. [10] [fig.3] est une vue en perspective de 8 transmissions similaires à celle de la figure 2, à huit étapes successives d'un cycle de va et vient de la bielle 105. [11] [fig.4] est une vue en perspective d'une transmission selon l'invention, dans un mode de réalisation plus complexe comportant un levier dit levier moteur 106 qui tourne autour d'un axe de rotation levier 108 en un mouvement de va et vient provoqué par le mouvement de va et vient de l'élément 107 qui est lui-même entraîné par la bielle 105. Ce levier comporte un moyen d'entrainement moteur 109 qui entraîne le mouvement de va et vient de la crémaillère 1. Cette dernière entraîne la rotation toujours dans le même sens de la roue de sortie 5, parce que les roues dentées 3A et 3B sont chacune munie d'une roue libre de même sens de rotation. [12][fig.5] est une vue en perspective d'une transmission symétrique de celle de la figure 4, démunie de son châssis comportant le guide fixe 1003, afin que l'on puisse voir le roulement à bille 1022 permettant au guide de bielle de tourner sur lui-même lorsqu'il s'appuie sur le guide fixe 1003. [13] [fig.6] est une vue en perspective des transmissions des deux figures précédentes qui sont associées et ont le même arbre d'entrée 100 et la même roue de sortie 5. Exposé de l'invention [14]L'invention est une transmission mécanique caractérisée en ce qu'elle comporte : - une roue d'entrainement 1000, - un élément de liaison dit bielle 105 muni d'une surface de coopération 1020 avec ladite roue d'entrainement 1000, d'une liaison dite liaison primaire 1021 avec un élément se déplaçant selon un mouvement de va et vient 107, et d'un moyen de guidage dit guide de bielle 1022, - et un moyen de guidage dit guide fixe 1003 coopérant avec ledit guide de bielle 1022 dont la forme est telle que le contact soit maintenu en permanence entre ladite roue d'entraînement 1000 et ladite surface de coopération 1020. Description détaillée de l'invention [15] Le mécanisme consistant à associer un vilebrequin à une ou plusieurs bielles a de nombreux défauts, - le frottement entre la bielle et le maneton du vilebrequin, - le poids du vilebrequin qui alourdit les moteurs et les pompes à piston, - la difficulté de l'équilibrage en rotation du vilebrequin, ce qui limite le régime de rotation, - le fait que, au moment où la puissance est transmise par le piston au vilebrequin, l'axe de coulissement du piston n'est pas aligné avec l'axe de rotation du vilebrequin, ce qui entraîne une usure de la liaison assurant l'étanchéité entre piston et cylindre, - et l'impossibilité de choisir comme on le souhaite l'évolution du rapport de transmission au cours d'un cycle, puisque c'est toujours une sinusoïde. [161L'objectif premier de la présente invention est de pallier ces inconvénients avec un dispositif simplen léger et économique, pour permettre aux motoristes d'améliorer le rendement des moteurs et de satisfaire plus facilement aux futures normes de lutte contre la pollution. [17]Le principe consiste à remplacer le vilebrequin par un simple arbre comportant des roues de coopération qui peuvent avantageusement être des roues dentées. Un tel arbre est en effet plus léger et beaucoup plus facile à équilibrer. [18]Le contact entre la roue d'entrainement 1000 et la bielle 105 est maintenu d'une part par la trajectoire que peut avoir la liaison primaire 1021, qui est par exemple une droite si l'élément se déplaçant selon un mouvement de va et vient 107 est un piston, et d'autre part par un guide de bielle 1022 qui coopère avec un guide fixe 1003. [19] En fonction de l'évolution au cours d'un cycle du rapport de transmission qu'il souhaite déterminer entre l'arbre rotatif 100 et l'élément se déplaçant selon un mouvement de va et vient 107, l'homme de l'art peut facilement déterminer la forme de la surface de coopération 1020 de la bielle 105. [20] Cette forme peut être totalement libre, et être différente entre l'aller et le retour de l'élément ayant un mouvement de va et vient, et la partie du cycle consacrée à l'aller de cet élément peut donc être différente de celle consacrée à son retour. Cela donne une grande liberté à l'homme de l'art pour optimiser le rendement d'un moteur ou d'une autre machine munie d'une transmission selon l'invention. [21]Pour citer quelques exemples, la surface de coopération 1020 peut être cylindrique pour une transmission de vélo si l'on souhaite que le cycliste retrouve les mêmes sensations qu'avec un pédalier classique à manivelle. Elle peut être rectiligne pendant la phase motrice d'un moteur à piston, pour éviter l'usure de la liaison assurant l'étanchéité entre pistons et cylindres. Elle peut aussi être rectiligne pendant la phase de compression, pour la même raison. Elle peut même être alignée pendant l'une de ces deux phases avec l'axe du piston. [22]La forme du guide fixe 1003 se déduit très simplement de celle de la surface de coopération 1020, pour obtenir une coopération permanente entre la roue d'entrainement 1000 et la surface de coopération 1020 de la bielle 105. Cette forme est-en effet celle pour laquelle le contact est maintenu en permanence entre la roue d'entraînement 1000 et la surface de coopération 1020. [23]Avantageusement, le guide de bielle1022 est muni d'un roulement 220 à billes ou à aiguilles pour pouvoir rouler sur le guide fixe 1003 au lieu de glisser sur lui, ce qui permet de limiter les pertes d'énergie par frottement. [24]11 est avantageux disposer ce guide de bielle1022 le plus loin possible de la liaison primaire 1021 pour que le guide fixe 1003 soit le plus grand possible. Sa position n'est pas forcément alignée avec l'axe longitudinal de la bielle 105. [25] Dans ce premier mode de mise en oeuvre, une transmission selon l'invention a aussi l'avantage d'être réciproque. [26] L'un des objets de la présente invention est de tirer parti du fait que la méthode exposée ci-dessus permet de déterminer l'évolution au cours d'un cycle du rapport de transmission entre l'arbre rotatif 100 et l'élément se déplaçant selon un mouvement de va et vient 107, pour que ce mouvement soit converti ensuite de la meilleure façon par un mécanisme de transformation d'un mouvement de va et vient en un mouvement de rotation. [27] Avantageusement, le mécanisme qui vient d'être décrit associé en amont à une transmission mécanique selon la demande FR1870686 précitée. Cette transmission supplémentaire est ci-après dénommée transmission aval. [28] La transmission selon l'invention comporte alors une transmission amont telle que décrite ci-avant, et une transmission dite aval comportant - une ou plusieurs crémaillère(s) (1 et le cas échéant 1A) entrainée(s) directement ou indirectement par la transmission amont - une roue de sortie 5 - deux dispositifs d'embrayage unidirectionnel dits roues libres 3A et 3B transmettant chacun ledit mouvement de va et vient d'une crémaillère à la roue de sortie sous forme d'un mouvement de rotation qui est toujours dans le même sens de rotation, une inversion du sens de mouvement de va et vient de ladite crémaillère ne modifiant jamais le sens de rotation de ladite roue de sortie, quelle que soit la position de la crémaillère lors de cette inversion. [29] Une telle transmission comporte avantageusement un levier dit levier moteur 106 tournant autour d'un axe 108 dit axe de rotation levier. Ce levier moteur est entrainé dans un mouvement de va et vient par la liaison primaire 1021 et comporte lui-même un moyen dit moyen d'entrainement moteur 109 assurant l'entraînement de la ou des crémaillère(s) et un moyen de modification de la distance de ce moyen d'entrainement moteur 109 à l'axe de rotation levier. Ceci permet de modifier l'amplitude du mouvement de va et vient provoqué par la transmission amont. Il faut noter que la vitesse du mouvement de sortie est proportionnelle à celle du mouvement d'entrée pendant tout un cycle. [30] Avantageusement, la distance dudit moyen d'entrainement moteur 109 à l'axe de rotation levier peut être diminuée jusqu'à être nulle. Dans ce cas, en effet, l'oscillation du levier moteur n'entraîne aucun mouvement de la crémaillère et cela permet de se passer d'embrayage. Il est recommandé de doter le système d'un moyen permettant d'empêcher la distance entre l'axe de rotation levier 108 et le moyen d'entraînement moteur de rester durablement à une valeur très faible, parce que dans ce cas, la démultiplication du mouvement provoquée par la transmission amont pourrait croître à une valeur telle que l'effort sur la transmission aval pourrait augmenter jusqu'à provoquer sa destruction. [31] Dans une version perfectionnée, illustrée par la figure 6, la transmission selon l'invention est dédoublée. Elle comporte un second élément de liaison dit bielle secondaire muni d'une seconde surface de coopération avec la roue d'entrainement 1000, d'une seconde liaison primaire avec un second élément se déplaçant selon un mouvement de va et vient, et d'un second moyen de guidage de bielle. Elle comporte aussi deux transmissions aval telles que celles décrites plus haut. [32] L'avantage d'une telle organisation est double. D'une part, cela permet de rendre le rapport de transmission absolument stable pendant tout le cycle, et d'autre part cela permet de freiner les deux crémaillères avant qu'elles ne changent de sens de déplacement. [331 Avantageusement, l'homme de l'art peut diviser le cycle en quatre phases, deux ensembles de deux phases comportant chacun - une phase dite phase linéaire dans laquelle le mouvement de rotation entraînant la transmission amont est transformé un mouvement de rotation de même vitesse de la roue de sortie de la transmission aval, - et une phase dite phase d'arrêt et de redémarrage progressifs dans le sens inverse du mouvement de va et vient. [34] Ainsi, pendant la phase dite linéaire, le mouvement de la roue de sortie est stable, mais chaque bielle et chaque crémaillère sont ralenties en fin de course. [35] L'homme de l'art peut facilement calculer la forme de la surface de coopération 1020 pour que la roue de sortie ait une vitesse de rotation parfaitement stable. Ce n'est pas exactement une droite comme représenté par les figures 4 à 6, car il faut compenser le léger acyclisme résultant de la transmission du mouvement de va et vient par le levier moteur, ainsi que des changements d'orientation de la bielle 105 et de la crémaillère 1 pendant le cycle, mais c'est une forme qui en reste relativement proche. [36] Les deux bielles coopèrent dans ce cas par deux points différents de leurs surfaces de coopération respectives avec la roue d'entrainement, afin d'être en décalage de phase, et l'homme de l'art peut facilement organiser ce décalage pour qu'il y ait toujours au moins l'une des transmissions qui soit en phase dite linéaire, pendant laquelle elle transmet un mouvement de rotation constant alors que l'autre transmission ralentit ou redémarre dans l'autre sens. En effet, puisque la roue de sortie reçoit le mouvement par des roues libres, sa vitesse est toujours celle de la transmission qui est dans sa phase dite linéaire. [37] La transmission est alors parfaitement homocinétique, ce qui veut dire que la roue de sortie 5 a une vitesse qui reste toujours proportionnelle à la vitesse de rotation de l'arbre moteur 100. Elle ne comporte plus aucun acyclisme quel que soit le rapport de transmission choisi. [38] L'un des avantages de cette organisation est que l'on peut sans aucun inconvénient faire fonctionner la transmission selon l'invention à une vitesse très lente pour éliminer toute vibration génératrice de bruit et de fatigue, en utilisant des engrenages appropriés en entrée et en sortie. Même un moteur tournant à 50 000 tours par minute peut être doté d'une transmission selon l'invention ne tournant qu'à quelques tours par minute par exemple. [39] Pour obtenir un ralentissement et un redémarrage progressif des crémaillères en fin de course, chacune des surfaces de coopération des deux bielles comporte une partie dite lointaine qui est la plus éloignée de la liaison primaire et une partie dite proche qui est la plus proche de la liaison primaire, et chacune de ces parties est sensiblement tangente à un cercle dont le centre est situé au centre de ladite liaison primaire considérée. Le même résultat est obtenu en rendant chacune de ces parties tangente à une droite perpendiculaire à celle qui va de la liaison primaire 1021 au point de contact entre la surface de coopération 1020 de la bielle avec la roue d'entraînement 1000. [40] L'invention est aussi un procédé consistant à transmettre un mouvement de rotation en mouvement de va et vient avec une transmission selon l'invention, et un procédé consistant à transmettre un mouvement de rotation en un autre mouvement de rotation par une transmission selon le mode le plus complexe décrit plus haut. Applications [41] Dans sa mise en oeuvre la plus simple, l'invention s'applique en particulier aux moteurs à pistons et aux engins à pédales, trottinettes, voiturettes et bicyclettes en solo ou en tandem, pour transformer le mouvement de va-et-vient de pédales ou de manettes en rotation d'une roue, ainsi qu'aux pompes et aux outillages à mouvement de va et vient comme une scie ou un-taille haies. [42] Une transmission selon l'invention peut avantageusement être combinée avec les transmissions selon la demande de brevet FR1870686 précitée. Cette combinaison a alors un domaine d'application bien plus vaste, comprenant en particulier - les transmissions mécaniques des véhicules, dont les transmissions variables en continu et les embrayages, - les systèmes de récupération d'énergie lors des ralentissements et du freinage, - les palans, crics, treuils et winches, - les éoliennes et aux hydroliennes, et d'une façon générale les générateurs d'électricité, - les broyeurs et concasseurs de minerais et les mélangeurs, - les appareils électroménagers, - les outils, et en particulier ceux utilisés pour le jardinage - et les jouets.