FR2965245A1

FR2965245A1 - Dispositif a manivelle integrant un systeme de conversion d'energie

Info

Publication number: FR2965245A1
Application number: FR1057651A
Authority: FR
Inventors: Jean-Philippe Gros; Mistral Claire Jean
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Decathlon SE; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2010-09-23
Filing date: 2010-09-23
Publication date: 2012-03-30
Anticipated expiration: 2030-09-23
Also published as: EP2619075A1; WO2012038672A1; FR2965245B1

Abstract

L'invention concerne une manivelle comprenant des première (33) et seconde (34) parties mobiles en translation l'une par rapport à l'autre, et un dispositif (39) de conversion d'énergie.

Description

B10326 - DD11964ST 1 DISPOSITIF À MANIVELLE INTÉGRANT UN SYSTÈME DE CONVERSION D'ÉNERGIE

Domaine de l'invention La présente invention concerne la récupération d'énergie mécanique dans un véhicule à pédales, par exemple une bicyclette, pour produire de l'électricité. Elle vise plus généralement la conversion d'énergie dans les dispositifs à manivelle. Exposé de l'art antérieur Sur certaines bicyclettes, les pédales sont équipées de systèmes d'éclairage, par exemple des éclairages à LED, et/ou de divers capteurs. Pour l'alimentation de ces dispositifs, on a proposé d'intégrer dans la pédale un petit alternateur adapté à convertir l'énergie mécanique de rotation de la pédale autour de son axe en énergie électrique. Des systèmes de ce type sont décrits dans les demandes de brevet US2003/0035295 et US2002/0134192. Un inconvénient de ces systèmes est que l'intégration d'un alternateur dans une pédale est complexe et coûteuse. Un alternateur comprend en outre des pièces de poids relativement élevé comme des aimants. De plus, ce type de dispositif est assez bruyant en fonctionnement, ce qui constitue une nuisance pour l'utilisateur. Par ailleurs, l'exploitation du mouvement de B10326 - DD11964ST

2 rotation de la pédale autour de son axe pour produire de l'électricité requiert un effort supplémentaire de la part de l'utilisateur. Elle se fait donc au détriment des performances et/ou du confort d'utilisation de la bicyclette.

On pourrait également exploiter les mouvements de rotation du pédalier autour de son axe, en intégrant un alternateur au niveau de cet axe. Toutefois, un tel système présenterait les mêmes inconvénients de coût, de poids, de bruit, et d'effort supplémentaire à fournir, que les systèmes intégrés aux pédales. Plus généralement, des problèmes similaires peuvent se poser dans tout dispositif à manivelle. Résumé Ainsi, un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un système de récupération d'énergie dans un dispositif à manivelle, palliant au moins en partie certains des inconvénients des solutions de l'art antérieur. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente 20 invention est de prévoir un tel système moins coûteux, moins lourd, et moins bruyant que les systèmes existants. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel système ne nécessitant pas la fourniture d'un effort supplémentaire de la part de 25 l'utilisateur, ou dans lequel l'effort supplémentaire devant être fourni par l'utilisateur est négligeable. Il serait en outre souhaitable de disposer d'un dispositif à manivelle intégrant un système d'assistance à l'utilisation. 30 Plus généralement, un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un dispositif à manivelle intégrant un système de conversion d'énergie. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit une manivelle comprenant des première et seconde parties B10326 - DD11964ST

3 mobiles en translation l'une par rapport à l'autre, et un dispositif de conversion d'énergie. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit dispositif comprend un système de conversion mécano- électrique pour exploiter un mouvement de translation entre les première et seconde parties. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit dispositif comprend un système de conversion électromécanique pour provoquer un mouvement de translation entre les première et seconde parties. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la manivelle comprend en outre des moyens de rappel des première et seconde parties vers une position de repos. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 15 ledit dispositif comprend au moins un élément en un polymère électro-actif. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit dispositif comprend au moins un élément en matériau piézoélectrique. 20 Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit dispositif comprend une membrane déformable fixée entre les première et seconde parties. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ladite membrane est élastique. 25 Selon un mode de réalisation de la présente invention, lesdits moyens de rappel comprennent un mécanisme à ressorts. On prévoit également un pédalier comprenant un plateau de transmission, une pédale, et une manivelle, dans lequel les première et seconde parties de la manivelle sont respectivement 30 fixées au plateau et à la pédale. On prévoit également une bicyclette comprenant un tel pédalier. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que 35 d'autres seront exposés en détail dans la description suivante B10326 - DD11964ST

4 de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une vue de côté représentant de façon schématique un pédalier de bicyclette ; la figure 2 est un diagramme représentant de façon schématique l'évolution des forces exercées par un cycliste sur une manivelle de pédalier lors d'un cycle de pédalage normal ; la figure 3A est une vue partiellement en coupe d'un pédalier, représentant de façon schématique un mode de réalisation d'une manivelle à récupération d'énergie dans une première position de fonctionnement ; la figure 3B est une vue en coupe de la manivelle de la figure 3A selon l'axe B-B de la figure 3A ; les figures 4A et 4B sont des vues en coupe, correspondant aux vues en coupe des figures 3A et 3B, représentant la manivelle à récupération d'énergie des figures 3A et 3B dans une deuxième position de fonctionnement ; la figure 5 est une vue partiellement en coupe d'un pédalier, représentant de façon schématique une variante de réalisation de la manivelle à récupération d'énergie de la figure 3A dans une première position de fonctionnement ; et la figure 6 est une vue partiellement en coupe d'un pédalier, représentant la manivelle de la figure 5 dans une deuxième position de fonctionnement.

Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. L'invention sera décrite ci-après en relation avec des exemples de pédalier de bicyclette. Elle s'applique toutefois plus généralement à tout dispositif à manivelle, par exemple un winch, un cric, un treuil, etc. La figure 1 est une vue de côté représentant de façon schématique un pédalier 1. Le pédalier 1 comprend une manivelle 3 dont une première extrémité est fixée à un plateau de B10326 - DD11964ST

transmission 5 de forme générale circulaire. La manivelle 3, constituée d'une barre ou d'un tube rigide, par exemple en acier ou en aluminium, est soudée ou vissée au plateau 5 selon une direction radiale. Le plateau 5 est mobile en rotation autour 5 d'un axe 7 orthogonal au plateau et passant par le centre du plateau. L'axe 7 constitue l'axe de rotation du pédalier. A sa périphérie, le plateau 5 comprend généralement des dents, non représentées, adaptées à entraîner une chaîne de transmission. Du côté de sa seconde extrémité, la manivelle 3 est adaptée à recevoir une pédale 9 mobile en rotation autour d'un axe 11 parallèle à l'axe 7. Une seconde manivelle (non représentée) est généralement prévue sur l'axe 7, de l'autre côté du cadre dans le cas d'une bicyclette, formant un angle d'approximativement 180° avec la manivelle 3. Cette seconde manivelle supporte une pédale (non représentée) mobile en rotation autour d'un axe parallèle à l'axe 11. Lorsque le cycliste appuie sur les pédales, l'effort est transmis au plateau 5 par les manivelles 3, entraînant un mouvement de rotation du pédalier autour de l'axe 7. Les pédales 9 tournent autour de leurs axes respectifs 11 de façon à accompagner le mouvement des pieds du cycliste. En figure 1, on a représenté à titre d'exemple quatre positions 1a à 1d du pédalier 1 dans sa rotation autour de l'axe 7 (dans le sens illustré par la flèche f). On notera que le pédalier 1 forme classiquement un ensemble mécanique à deux degrés de liberté. Un premier degré de liberté permet le mouvement de la pédale 9 en rotation autour de son axe 11, et un second degré de liberté permet le mouvement de rotation du plateau 5 autour de son axe 7. Selon un aspect général d'un mode de réalisation de la présente invention, on propose ici d'intégrer un système de conversion d'énergie dans une manivelle. La figure 2 est un diagramme représentant de façon 35 schématique l'évolution des forces exercées par un cycliste sur B10326 - DD11964ST

6 une manivelle de pédalier lors d'un cycle de pédalage normal. En abscisse, on a représenté l'angle, en degrés (°), formé entre la manivelle et la verticale, et en ordonnée, la valeur des forces en newton (N). Ce diagramme correspond à un cycle de pédalage complet, de 0 à 360°, effectué sur une bicyclette en position normale de fonctionnement, sur une route sans dénivelé significatif, par un cycliste en position assise. Un angle de 0° (ou 360°) en abscisse correspond au passage de la pédale à sa position la plus haute, alors qu'un angle de 180° correspond au passage de la pédale à sa position la plus basse (position 1b de la figure 1). Lorsque le cycliste appuie sur les pédales, la force transmise à chaque manivelle est en fait la somme d'une force tangentielle FT (figure 1), orthogonale à la manivelle et parallèle au plan du plateau de transmission, et d'une force radiale FR, parallèle à la manivelle. Comme l'illustre le diagramme, la composante tangentielle FT est dominante par rapport à la composante radiale FR. La composante FT est maximale (proche de 400 N dans cet exemple) autour de 90°(position 1a de la figure 1), et minimale (proche de 0 N dans cet exemple) autour de 330°. La composante radiale FR est maximale (proche de 50 N dans cet exemple) autour de 180°, et minimale (proche de -50 N dans cet exemple) autour de 0°. La composante radiale FR s'annule brièvement approximativement à 90° et à 270°. La composante tangentielle FT entraîne la mise en rotation du pédalier autour de son axe. En revanche, la composante radiale FR est une force qui ne contribue pas à la mise en mouvement de la bicyclette. On notera que le diagramme de la figure 2 est donné uniquement à titre d'exemple, et que de nombreux facteurs sont susceptibles de modifier l'évolution des composantes FR et FT au cours du cycle de pédalage. Le cycliste peut par exemple apprendre, par des techniques de pédalage adaptées, à minimiser la composante radiale FR de la force qu'il B10326 - DD11964ST

7 exerce sur la manivelle. Toutefois, dans la pratique, cette composante radiale reste inévitablement non négligeable. On propose ici d'intégrer, dans une manivelle de pédalier, un système de conversion mécano-électrique adapté à exploiter la composante radiale FR de la force exercée sur la manivelle par le cycliste. La figure 3A est une vue partiellement en coupe d'un pédalier 1, représentant de façon schématique un mode de réalisation d'une manivelle 3 à récupération d'énergie dans une première position de fonctionnement. La figure 3B est une vue en coupe de la manivelle 3 selon l'axe B-B de la figure 3A. Les figures 4A et 4B sont des vues en coupe, correspondant aux vues en coupe des figures 3A et 3B, représentant la manivelle 3 dans une deuxième position de fonctionnement. La manivelle 3 du pédalier 1 comprend deux parties 33 et 34 mobiles en translation l'une par rapport à l'autre dans la longueur de la manivelle. Dans cet exemple, les parties 33 et 34 ont la forme de tubes coaxiaux de diamètres différents. Le tube 34, de plus petit diamètre, s'emboîte et peut coulisser dans le tube 33, formant ainsi une manivelle télescopique. On prévoit des butées de fin de course adaptées à empêcher le tube 34 de sortir totalement du tube 33, et à empêcher le tube 34 de rentrer dans le tube 33 au-delà d'une certaine profondeur. Ces butées sont par exemple constituées d'ergots 35 disposés sur la paroi intérieure du tube 33 et sur la paroi extérieure du tube 34. Dans cet exemple, l'extrémité du tube 33 opposée au tube 34 est fixée au plateau de transmission 5 du pédalier, et l'extrémité du tube 34 opposée au tube 33 supporte la pédale 9 mobile en rotation autour de l'axe 11. On notera que l'invention ne se limite pas à cette configuration particulière. En particulier, on pourrait prévoir de fixer le tube 34, de plus B10326 - DD11964ST

8 petit diamètre, au plateau de transmission 5, et le tube 33, de plus grand diamètre, à la pédale 9. On prévoit des moyens de rappel de la manivelle vers une position de repos, par exemple une position rétractée. Dans cet exemple, à distance intermédiaire entre le plateau 5 et le commencement du tube 34, le tube 33 comporte une tige de support transverse 37. De plus, à une distance intermédiaire entre la pédale 9 et le commencement du tube 33, le tube 34 comporte une tige de support transverse 38 parallèle à la tige 37. Une courroie ou membrane élastique 39 s'étend entre les tiges de support 37 et 38. Lorsqu'une force radiale positive est exercée sur la manivelle 3, par l'intermédiaire de la pédale 9, la manivelle 3 tend à s'allonger, provoquant une extension de la courroie 39 (figures 4A, 4B). Lorsque cette force cesse de s'exercer, ou lorsqu'une force radiale négative est exercée sur la manivelle 3, la courroie 39 tend à se rétracter vers une position de repos, entraînant une diminution de la longueur totale de la manivelle (figures 3A, 3B).

On notera que tout autre moyen de rappel de la manivelle 3 vers une position de repos pourra être utilisé. On pourra par exemple prévoir un mécanisme à ressorts. Par rapport aux pédaliers habituels à deux degrés de liberté, le pédalier proposé comprend donc un troisième degré de liberté autorisant un mouvement de deux parties distinctes de la manivelle en translation l'une par rapport à l'autre. Les inventeurs proposent d'exploiter le mouvement lié à ce nouveau degré de liberté pour produire de l'électricité. Dans cet exemple, un matériau électro-actif est associé à la courroie 39 de façon que les déformations de la courroie entraînent des variations de contraintes mécaniques dans ce matériau, et par conséquent la formation de charges électriques. Un système d'électrodes non représenté est prévu pour collecter les charges générées. Le matériau électro-actif est par exemple un matériau piézoélectrique ou un polymère diélectrique. Ce B10326 - DD11964ST

9 matériau peut être déposé directement sur la courroie ou sur une partie de la courroie, ou déposé sur un support intermédiaire déformable, lui-même fixé en au moins deux points distincts à la courroie. On pourra aussi prévoir une courroie directement constituée d'un matériau électro-actif. La quantité d'énergie électrique produite dans la manivelle 3 augmente avec la longueur de la course du tube 34 par rapport au tube 33. Cette course ne doit toutefois pas dépasser une certaine longueur pour ne pas perturber le cycle de pédalage de l'utilisateur. A titre d'exemple, dans le cas d'une manivelle de pédalier de longueur comprise entre 15 et 20 centimètres, la longueur de la course du tube 34 par rapport au tube 33 pourra être comprise entre 0,1 centimètres (si l'on utilise un matériau piézoélectrique) et 1 cm (si l'on utilise un polymère diélectrique). L'invention ne se limite toutefois pas à ces valeurs particulières. Dans une variante de réalisation, la courroie 39 pourra être déformable mais pas élastique. Dans ce cas, des moyens de rappel complémentaires, par exemple des ressorts, seront prévus pour ramener les tubes 33 et 34 vers une position de repos. La prévision d'une courroie 39 élastique constitue toutefois un mode de réalisation préféré de l'invention puisqu'elle permet de combiner en un seul élément les moyens de rappel et les moyens de conversion d'énergie.

Un avantage du système de récupération d'énergie proposé est qu'il ne nécessite pas la fourniture d'un effort supplémentaire de la part de l'utilisateur. En effet, seule la composante radiale de la force exercée par le cycliste, préexistante et inutile au fonctionnement de la bicyclette, est exploitée. Un autre avantage du système proposé est qu'il est particulièrement simple à mettre en oeuvre et peu onéreux. Un autre avantage d'un tel système est qu'il est léger et silencieux en comparaison des systèmes à générateur électro- magnétique.

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10 La figure 5 est une vue partiellement en coupe d'un pédalier 1, représentant de façon schématique une variante de réalisation de la manivelle 3 à récupération d'énergie des figures 3A à 4B dans une première position de fonctionnement.

La figure 6 est une vue partiellement en coupe du pédalier 1, représentant la manivelle 3 de la figure 5 dans une deuxième position de fonctionnement. Comme aux figures 3A à 4B, la manivelle 3 comprend deux tubes 33 et 34 de diamètres différents et un système de 10 butées de fin de course comprenant des ergots 35. La manivelle 3 comprend deux membranes déformables distinctes 53 et 54. Dans cet exemple, les membranes 53 et 54 ont la forme de cylindres disposées entre la paroi intérieure du tube 33 et la paroi extérieure du tube 34. La membrane 53 est 15 fixée d'une part à un ergot 35a en couronne, solidaire du tube 34, et d'autre part à un ergot 35b en couronne, solidaire du tube 33, l'ergot 35a étant situé du côté du plateau 5 par rapport à l'ergot 35b. La membrane 54 est fixée d'une part à un ergot 35c en couronne, solidaire du tube 34, et d'autre part à 20 l'ergot 35b, l'ergot 35c étant situé du côté de la pédale 9 par rapport à l'ergot 35b. Lorsque la manivelle 3 s'allonge sous l'effet d'une force radiale positive exercée sur la pédale, la membrane 53 se rétracte et la membrane 54 se tend. A l'inverse, lorsque la 25 manivelle 3 se rétracte, en l'absence de force radiale, ou sous l'effet d'une force radiale négative exercée sur la pédale, la membrane 53 se tend et la membrane 54 se rétracte. Les membranes 53 et 54 peuvent être élastiques ou non, et un mécanisme de rappel complémentaire, par exemple un 30 mécanisme à ressort, peut être prévu pour ramener les tubes 33 et 34 vers une position de repos lorsqu'aucune force radiale n'est exercée sur la manivelle. Un avantage de la manivelle à récupération d'énergie des figures 5 et 6 est qu'elle permet d'exploiter les deux sens 35 du mouvement de translation du tube 33 par rapport au tube 34.

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11 Selon un autre aspect d'un mode de réalisation de la présente invention, on prévoit un système de conversion électromécanique permettant à un utilisateur de régler la longueur totale de la manivelle en provoquant, par un apport d'énergie électrique, le mouvement de translation du tube 33 par rapport au tube 34. Le système de conversion électro-mécanique pourra être une membrane électro-active du type décrit ci-dessus, un moteur linéaire, ou tout autre système adapté. Un tel système permet par exemple une assistance permettant à l'utilisateur de régler la longueur de la manivelle pendant le fonctionnement du dispositif. Un raccourcissement de la manivelle conduit à réduire le couple exercé, et un allongement de la manivelle conduit à augmenter le couple exercé. Dans le cas d'un pédalier de bicyclette, l'utilisateur pourra par exemple raccourcir la longueur de la manivelle dans les montées et augmenter la longueur de la manivelle dans les descentes. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications 20 apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, l'homme de l'art saura adapter la structure de manivelle proposée. Toute structure de manivelle comportant deux parties mobiles en translation l'une par rapport à l'autre selon la direction de la manivelle pourra être 25 utilisée. On pourra par exemple prévoir une manivelle en deux parties plates allongées coulissant l'une sur l'autre. On pourra également prévoir une manivelle du type décrit ci-dessus montée non pas en rotation autour d'un axe fixe, mais dont une extrémité est reliée à une barre (ou rail) 30 linéaire, cette extrémité pouvant coulisser en translation le long de la barre. De plus, on notera que les systèmes de conversion mécano-électrique et électro-mécanique mentionnés ci-dessus pourront être confondus.

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12 On pourra prévoir un dispositif à manivelle permettant à la fois la récupération d'énergie et le réglage de longueur de la manivelle. Pour cela on prévoit par exemple un système d'ergots ou de crans, définissant des plages dans lesquelles la longueur de la manivelle est susceptible de varier sous l'action de la force mécanique exercée par l'utilisateur. Ces ergots ou crans ne peuvent être franchis sous l'effet de la seule force exercée par l'utilisateur. En revanche, ils peuvent être franchis à l'aide du système de conversion électro-mécanique, sous l'effet d'un apport d'énergie électrique. Par ailleurs, tout système de conversion mécano-électrique adapté à exploiter le mouvement de translation entre les deux parties mobiles de la manivelle pourra être utilisé, par exemple un moteur linéaire.

Claims

REVENDICATIONS1. Manivelle comprenant des première (33) et seconde (34) parties mobiles en translation l'une par rapport à l'autre, et un dispositif (39) de conversion d'énergie.
2. Manivelle selon la revendication 1, dans laquelle ledit dispositif comprend un système de conversion mécano-électrique pour exploiter un mouvement de translation entre les première et seconde parties.
3. Manivelle selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ledit dispositif comprend un système de conversion électro-mécanique pour provoquer un mouvement de translation entre les première et seconde parties.
4. Manivelle selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre des moyens (39) de rappel des première (33) et seconde (34) parties vers une position de repos.
5. Manivelle selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle ledit dispositif comprend au moins un élément (39) en un polymère électro-actif.
6. Manivelle selon l'une quelconque des revendications 20 1 à 4, dans laquelle ledit dispositif comprend au moins un élément en matériau piézoélectrique.
7. Manivelle selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle ledit dispositif comprend une membrane déformable (39) fixée entre les première (33) et seconde (34) 25 parties.
8. Manivelle selon la revendication 7, dans laquelle ladite membrane est élastique.
9. Manivelle selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, dans laquelle lesdits moyens de rappel comprennent un 30 mécanisme à ressorts.
10. Pédalier (1) comprenant un plateau de transmission (5), une pédale (9), et une manivelle (3) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel les première (33) etB10326 - DD11964ST 14 seconde (34) parties de la manivelle sont respectivement fixées au plateau (5) et à la pédale (9).
11. Bicyclette comprenant un pédalier selon la revendication 10.