Brevet FR3133223A1 — publié le 20230908

Figure à publier avec l’abrégé: figure 1 Emploi d’un système vilebrequin-bielle doté d’un mécanisme simple mais nouveau, qui améliore les transferts de puissance, pilote le système à cette fin en fonction de la trajectoire de la force extérieure (rectiligne alternative ou elliptique). Ce principe mécanique est adaptable à la plupart des systèmes mécaniques habituels (moteur thermique, pompe, manivelle cadre etc…) de transformation du mouvement alternatif en mouvement circulaire et inversement. Un système de cinq ou six engrenages ou deux et quatre roues dentées récupère le mouvement et la force de la bielle, les renvoie vers le vilebrequin à l’aide d’un appui extérieur et inversement. Bielle et vilebrequin sont synchronisés tels que : Le système guide le déplacement de la tête de bielle sur la trajectoire de la force extérieure. La puissance fournie au système est totalement transmise par celui-ci. Le système devient le guide de la trajectoire de nouvelles machines : hydrolienne, éolienne etc… Bielle active et améliorations des performances de la transformation du mouvement alternatif en mouvement rotatif ou inversement Adapter un système vilebrequin-bielle à un mécanisme simple mais nouveau qui améliore les transferts de puissance. Pour que toute la puissance fournie à/restituée par la bielle, soit récupérée ; elle et le vilebrequin sont couplés par ce mécanisme qui, en outre, pilote la trajectoire du système (la tête de bielle) au point d’application et dans la direction de la force à récupérer ou à transmettre. La bielle « folle » comme les pertes de puissance en tête de bielle sont éliminées : le système s’autoguide et s’adapte à de nouveaux usages. Ce principe mécanique est adaptable à l’ensemble des systèmes totalement mécaniques existants de transformation mouvement alternatif en mouvement circulaire et inversement: moteur thermique, pompe, manivelle cadre etc… Ses qualités lui permettront de s’imposer dans des domaines plus complexes où le système bielle-vilebrequin au regard de ses qualités passables (rendement et surtout trajectoire) est encore absent : vélo ou à inventer : hydro/éolienne par exemple. Etat de la technique antérieur Les recherches les plus avancées concernent le pédalier de vélo de compétition .1 avec un système bielle-vilebrequin à la place de la manivelle et deux roues dentées( dont une est fixe) pour transformer la trajectoire en ellipse; elles sont peu concluantes, entrainant une forte perte de puissance (force sur la bielle) due à l’utilisation de la roue fixe. Le système bielle-vilebrequin des moteurs thermiques avec une bielle folle qui ne transmet directement aucune énergie, a très peu évolué (excentricité du vilebrequin) et d’autres systèmes thermiques très innovants ne s’imposent pas. Solution technique Une brève explication du principe mécanique pour mieux s’y retrouver : . . En partant du système déjà évoqué pour le vélo .1 un engrenage fixé au vélo sur l’axe de l’arbre du vilebrequin est couplé à un engrenage fixe avec la bielle sur l’axe de l’articulation vilebrequin/bielle si, en vue externe, les deux tournent du même angle en sens opposé et que la bielle et le vilebrequin sont de même longueur, la tête de bielle et, donc, la pédale décrivent une ligne droite passant par l’axe de l’arbre. Pour cela, si le vilebrequin avance d’un pas, la bielle doit dans l’autre sens reculer d’un pas de compensation et d’un deuxième pour se mettre au niveau. Inconvénients, la force de la bielle et son énergie ne peuvent être récupérer par un objet fixe et la bielle tourne librement autour de l’engrenage fixe(mauvaise trajectoire).si la trajectoire de la tête de bielle n’est pas guidée dans son mouvement rectiligne alternatif. Solution simple A .2: . L’engrenage fixé au vélo doit être, au contraire, fixé avec le vilebrequin! Ce n’est plus un rapport de un à deux qu’il faut entre les engrenages mais un rapport de un à trois ! Bielle et vilebrequin sont couplés directement, le mécanisme de synchronisation doit prendre en compte l’ensemble des mouvements, donc deux pour la bielle (satellite) plus un pour le vilebrequin (planète) donc trois : en fait les engrenages roulent ‘l’un sur l’autre pendant les mouvements en sens contraires et « absorbent » ce que tourne la planète Nous récupérons la force exercée sur la bielle directement par l’engrenage lié au vilebrequin si la tête de bielle est solidement guidée sur sa trajectoire linéaire. La bielle est toujours libre en rotation autour de l’engrenage du vilebrequin donc sortie de trajectoire ou tension et perte de force sur le guide de tête de bielle comme usure du guide, piston etc... De plus lorsque bielle et vilebrequin sont alignés si la force de résistance est active et importante (exemple : voiture en montée) le mouvement du vilebrequin peut s’inverser et donc blocage/calage du système… Solution complète B .3: . Cette solution permet d’éliminer la sortie de trajectoire, le blocage et conserve le bon transfert des forces : la tête de bielle est complètement guidée dans son mouvement linéaire alternatif par le système d’engrenages qui relie vilebrequin et bielle. Elle est utilisable dans des solutions où le système est le guide du mouvement (pédale de vélo, hydrolienne etc…) Description détaillée de ce système : Un système de cinq ou six engrenages ou deux et quatre roues dentées récupère la composante tangentielle de la force extérieure sur la bielle, force qui est perdue avec l’existant, et guide le mouvement. Cette force pour être rendue, est renvoyée vers le vilebrequin à l’aide d’un appui extérieur. C’est cet appui qui élimine le degré de liberté en rotation restant à la bielle et la guide. Mouvement guidé : en même temps, les mouvements bielle/vilebrequin sont synchronisés pour que la tête de bielle se maintienne sur la trajectoire rectiligne de la force extérieure (alternatif vers rotatif) ou du mouvement à transmettre (rotatif vers alternatif).Les forces latérales sur la tête de bielle sont supprimées Le système maximise les transferts de la force extérieure (à récupérer / transmettre) sur la bielle et le vilebrequin. Le rôle de la bielle est prépondérant aussi grâce à la synergie force-vitesse (parallélisme) assurée sur celle-ci qui résulte de sa nouvelle trajectoire (particulièrement pour le mouvement rectiligne). Le transfert de puissance est total. Le système modifie radicalement la trajectoire de la bielle et surtout son rôle qui passe à transmetteur de puissance et transformateur de trajectoire. Les .3 et .4 permettent d’appréhender dynamiquement le système. La détaille des répartitions de puissance sur la bielle et le vilebrequin. La détaille le système de forces et confirme que la puissance efficace sur la bielle est totalement transmise au vilebrequin par le système d’engrenages et qu’elle se cumule avec la puissance efficace sur le vilebrequin de telle sorte que la puissance de sortie égale celle d’entrée (au rendement près – non négligeable - des engrenages). Présentation des figures - : schéma des solutions et cinématique du système - : schéma mécanique simplifié du système - .1 vue de dessus - .1 vue de gauche - .2 vue de droite - : Comparaison des courbes de puissance sur un demi-tour avec une vitesse de rotation uniforme et égale des vilebrequins, une force constante(intensité et direction) et pour le moteur thermique, une bielle trois fois plus grande que la manivelle de son vilebrequin, celle-ci étant égale à la somme vilebrequin et bielle de notre système (même longueur/hauteur de course) .Pour ce moteur, en fonction de la longueur de la bielle, la puissance irait avec une bielle au plus petit (égale à la manivelle du vilebrequin) de deux fois la puissance radiale de notre système (manivelle x 2) jusqu’à, pour une bielle infinie, la puissance totale de notre système et donc un maximum égal à celui de la puissance totale de notre système (couple x 2 contre vitesse / 2). Pour un vélo avec une force de 10 kgf et 80 RPM (rotation par mn) par exemple, les résultats seraient identiques sur le deuxième demi-tour avec la même force inverse. Mais hauteurs de course et longueurs de course ne peuvent pas être identiques : soit les hauteurs sont identiques (pédale de 17cm donc 34 cm) alors les puissances sont les mêmes (89 Watts) mais les vitesses linéaires sont de 1,43m/s pour l’existant contre 0,91 m/s avec notre système (fatigue) ou soit les longueurs (107cm) et donc les vitesses linéaires sont identiques : toujours 89 Watts contre 140Watts ici, maximum supérieur, meilleure répartition et donc gain global de 57% à pondérer en fonction de la direction de la force de la jambe. Voir les calculs de puissance et la : le logiciel qui créant ces courbes. - : schéma mécanique simplifié du système – Adaptation au moteur - : schéma mécanique simplifié – Adaptation simple au vélo - : schéma mécanique simplifié – Adaptation compact mais complexe au vélo - : schéma des forces et calcul des puissances. La trajectoire rectiligne permet des calculs simples. - : Une vue du logiciel qui matérialise les mouvements du système en calculant l’ensemble des données nécessaires et résultantes avec un montage à deux bras. Il permet de calculer les vitesses sur des ellipses et donc de contrôler la vitesse de la bielle. - : Le logiciel qui optimise l’angle d’attaque de l’aile de la machine pour coller à la meilleure portance en fonction du courant apparent, ici une éolienne et le vent. - : Adaptation sur un vélo d’une pédale longue pour répartir l’effort entre avant-pied et talon. Seul l’avant-pied peut être bloqué, le talon est utilisé pour soulager ou les efforts intenses. Améliorations de la transformation du mouvement elliptique ou alternatif en mouvement rotatif et inversement. La réalisation de ces améliorations implique l’utilisation d’un système vilebrequin-bielle et d’y adjoindre, un système mécanique nouveau caractérisé en ce qu’il permet le pilotage de la trajectoire de la bielle par le contrôle des rotations de celle-ci et du vilebrequin, et que la puissance sortante (hors frottements) est égale à puissance entrante avec le transfert total de la force tangentielle sur la bielle. Ce système mécanique qui synchronise le mouvement de la bielle et du vilebrequin débute/finit par la bielle(6) liée l’arbre bielle-vilebrequin(8) et un premier engrenage(9) lié à cet arbre et donc au mouvement de la bielle, celui-ci renvoie vers un deuxième engrenage(4) sur l’axe de l’arbre(11) de vilebrequin puis vers un troisième engrenage(15) couplé avec le deuxième engrenage(4) sur cet axe, son mouvement(15) est transféré vers un quatrième engrenage(10) sur un arbre extérieur(16) au système dont le support est identique au support du vilebrequin (carter de la machine par exemple) , et est renvoyé par un cinquième engrenage(13) couplé au quatrième engrenage(10) sur ce nouvel arbre(16) vers le sixième et dernier engrenage(3) pour finir/débuter sur l’arbre de vilebrequin(11) avec qui il est lié. Seuls, le premier et le sixième engrenage, sont solidarisés avec les arbres, les quatre autres sont libres en rotation mais couplés deux à deux et pour un tour du premier (bielle), le sixième ne fait qu’un tiers de tour (vilebrequin). En somme, bielle et vilebrequin tournent ensemble de ce qu’ils doivent pour que la bielle ait un mouvement rectiligne alternatif (pour ce cas : longueurs de bielle et de vilebrequin sont égales) et que l’énergie fournit à l’un, soit transmise à l’autre. Cette revendication définit totalement l’invention par la description d’un exemple d’un système mécanique simple incorporé au dispositif bielle-manivelle pour parvenir à ces améliorations (pilotage-transfert). Les descriptions de diverses adaptations détaillent soit, sur le même principe, un système mécanique plus complexe et/ou surtout des exemples d’adaptations mécaniques à des utilisations avec des machines très différentes qui mettent en valeur les qualités intrinsèques de ce nouveau dispositif et son adaptabilité à des dispositifs existants ou nouveaux: en particulier des hydro/éoliennes à classer comme « verticales » mais avec un positionnement idéal de l’aile dans sa trajectoire très elliptique. A ces exemples d’adaptation s’ajoutent bien sûr d’autres combinaisons.