FR2989058A1 - Dispositif d'assistance au pedalage par compression et detente d'un fluide sous pression, respectant les contraintes reglementaires des bicyclettes et permettant de recuperer l'energie cinetique du vehicule - Google Patents

Abstract

Dispositif d'assistance au pédalage par compression et détente d'un fluide sous pression, respectant les contraintes réglementaires des bicyclettes et permettant de récupérer l'énergie cinétique du véhicule. L'invention utilise un moteur-pompe qui peut être lié en rotation au pédalier et relié à un réservoir par l'intermédiaire d'un tiroir distributeur, commandé par exemple au moyen d'une poignée tournante. La commande comporte plusieurs positions permettant d'obtenir soit un usage conventionnel de bicyclette, soit une assistance au pédalage, soit la recharge du réservoir. L'assistance est liée au pédalage et limitée à la vitesse réglementaire par un régulateur à boules, pilotant une vanne permettant de fermer automatiquement le réservoir. Ce réservoir peut être automatiquement rechargé par un connecteur adapté lorsque la bicyclette revient sur sa base, ce qui est particulièrement intéressant pour usage locatif. En intégrant la roue libre au pédalier, l'invention permet d'obtenir en plus une fonction de récupération d'énergie, soit en verrouillant la roue libre, soit en la court-circuitant au moyen d'un dispositif de crabotage qui peut utiliser la source de pression : il permet de récupérer l'énergie cinétique du véhicule sans entrainer les pédales, mais aussi de déconnecter le moteur pompe en usage conventionnel, évitant ainsi la trainée associée. Cette récupération d'énergie peut être utilisée par le cycliste pour recharger son réservoir et pour freiner son véhicule sans agir sur les freins. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à l'assistance au pédalage et à la récupération de l'énergie cinétique sur les cycles entrant dans la catégorie « bicyclette ».

Description

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION Le domaine technique de l'invention est celui des bicyclettes disposant d'une assistance au pédalage. La présente invention concerne un dispositif d'assistance au pédalage par moteur pompe utilisant une réserve de fluide sous pression, par exemple d'air comprimé. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE Dans le domaine commercial, le marché est monopolisé par les bicyclettes à assistance électrique, dont la technologie est pourtant contraignante du fait de l'usage de batteries: constituants chimiques, charge lente, vieillissement... Dans l'état de la technique, il existe déjà de nombreux brevets concernant la propulsion d'un véhicule par moteur hydraulique ou par air comprimé, qu'il s'agisse de véhicules à deux ou à quatre roues. La propulsion d'une voiture par moteur-pompe requiert beaucoup d'énergie, conduisant à des solutions sophistiquées et coûteuses, qui n'ont pas trouvé leur marché : le domaine d'application des bicyclettes est plus réaliste, car moins exigeant en stockage d'énergie, bien que 25 contraignant en coût et en masse. De nombreux brevets chinois concernent la propulsion d'une bicyclette par air comprimé, sans intégrer la nécessité de conserver la possibilité d'un usage conventionnel, voire sans respecter la contrainte réglementaire française d'une assistance liée uniquement au pédalage : 30 Les documents identifiés comme références sont les CN201371896, CN201002676 CN1944175 et CN1944173. Les documents FR2951432, FR0803621 et FR0905055 divulguent des dispositifs d'assistance au pédalage de type impulsions avec réarmement, qui sont complexes et bruyants du fait des pulsations 35 d'admission et d'échappement.

EXPOSE GENERAL DE L'INVENTION L'invention propose de résoudre les problèmes techniques précédemment cités pour obtenir un véhicule bénéficiant d'une assistance au pédalage sans recours à une batterie et respectant la réglementation « bicyclette », en offrant 3 modes : 1, Mode conventionnel, avec changement de rapports et roue libre pour arrêter de pédaler 2, Mode avec assistance au pédalage, par consommation d'un fluide sous pression 3, Mode permettant au cycliste de recharger le réservoir en fluide sous pression La description ci-après des modes de réalisation montre les principes d'intégration d'un moteur-pompe 10 sur une bicyclette avec les commandes associées, d'abord dans des solutions simples, puis dans des variantes plus sophistiquées permettant la récupération d'énergie.

Elle présente ensuite une réponse aux exigences de limitation de vitesse réglementaire pour l'assistance et à celles de recharge du réservoir 17 avant utilisation pour garantir une autonomie suffisante. Dans l'invention, on utilise un moteur-pompe 10 pouvant fonctionner en continu pour éviter les bruits d'un dispositif pulsé, qui peut être relié au réservoir de fluide sous pression 17 et lié en rotation au pédalier 2 pour assister l'effort de pédalage. Son tiroir de commande 15 comporte plusieurs positions pouvant être commandées à partir d'un levier cranté 20 ou à partir d'une poignée tournante 21 sur le guidon, soit mécaniquement, soit sans effort en utilisant la pression du réservoir de fluide. Une position donne accès au mode conventionnel d'usage d'une bicyclette. Les positions adjacentes permettent de l'utiliser soit en moteur offrant de l'assistance au pédalage, soit en pompe rechargeant le réservoir, notamment par récupération d'énergie cinétique: Pour cela, d'autres variantes sont proposées, récupérant l'énergie en verrouillant la roue libre ou en la court-circuitant, évitant ainsi d'entrainer les pédales.

Pour limiter l'assistance à la vitesse maximum fixée par la réglementation européenne sans recours à l'électronique, il est proposé d'intégrer un régulateur à boules dans une des roues, venant en appui sur un ressort précontraint, dont le tarage permet de fermer l'alimentation du moteur pompe à la vitesse réglementaire. Dans l'invention, le réservoir de fluide sous pression peut aussi être rechargé de façon externe par un connecteur le reliant automatiquement à un compresseur, lorsqu'il est ramené sur sa base.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les figures ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatives de l'invention. Elles montrent : Figure 1 : intégration au pédalier d'une bicyclette d'un moteur pompe à engrenages à axes parallèles. Figures 2 et 2 bis: intégration d'une pompe à palettes, entrainée directement par le plateau d'engrènement de la chaine. Figure 3, 4 et 5 : schématisation du tiroir de commande dans ses 3 positions donnant l'usage conventionnel, la position de recharge du réservoir et l'usage avec assistance. Figure 6, 7 et 8 : représentation de 3 modes de commande du tiroir, soit par levier cranté, soit par levier avec ressort de rappel dans le tiroir, soit par double câble permettant une commande par poignée tournante, rappelée en position d'usage conventionnel par le tiroir.

Figure 9 : rappel de l'architecture d'une bicyclette à changement de rapports dans le moyeu, évitant le dérailleur et permettant à la chaine de transmettre l'énergie cinétique du véhicule. Figure 10 : schématisation du tiroir de commande avec une quatrième position, permettant de commander un dispositif pour récupérer l'énergie cinétique du véhicule. Figure 11 : dispositif permettant de verrouiller la roue libre par un levier dans la quatrième position du tiroir de commande. Figure 12 : butée tournante capable de remplacer le levier pour verrouiller la roue libre.

Figure 13 : dispositif permettant de court-circuiter la roue libre dans la quatrième position du tiroir de commande, donc de récupérer l'énergie cinétique sans entrainer les pédales. Figure 14 : dispositif permettant de court-circuiter la roue libre, avec commande unique du tiroir et du crabotage, utilisant la pression. -4 - Figure 15 : commande du dispositif par une poignée tournante venant alimenter les poumons d'assistance ou de récupération. Figure 16 : dispositif utilisant la source de pression pour commander indépendamment le tiroir et le crabotage.

Figure 17 : intégration sur le moyeu d'une roue de bicyclette d'un régulateur à boules capable de couper l'assistance au pédalage lorsque la vitesse réglementaire est atteinte. Figure 18 : schéma montrant le principe de connection automatique de la bicyclette lors du retour sur sa base pour garantir la recharge systématique du réservoir avant sa prochaine utilisation. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION Deux architectures sont proposées pour intégrer un moteur pompe au pédalier, figure 1 avec une pompe à axes parallèles (engrenage, à vis, compresseur Roots...), figure 2 avec une pompe à palettes, de façon non exhaustive. L'architecture décrite en figure 1 place le pignon moteur 11 sur l'axe du pédalier 2, l'autre pignon étant décalé vers l'intérieur du cadre 1 pour dégager l'entrée 13 et la sortie 14 de pompe 10 à raccorder au tiroir 15. Selon la figure 2, la pompe à palettes est entrainée avec multiplication de vitesse limitant son dimensionnement, soit directement par une couronne dentée 30 ou via une chaine, soit par le plateau (3) dans un secteur dégagé par la chaine selon la figure 2 bis. Dans les figures 3, 4 et 5, le tiroir de commande 15 est présenté avec une pompe à engrenages en tant que moteur-pompe 10: La figure 3 représente le tiroir 15 en position centrale mettant en communication l'entrée 13 et la sortie 14 du moteur-pompe pour limiter au maximum son couple d'entrainement. Dans cette position, le réservoir 17 est isolé du moteur-pompe 10 et peut être rechargé par un compresseur au moyen d'une valve 18 faisant clapet anti-retour. La figure 4 représente le tiroir 15 en position de recharge du réservoir par le pédalage du cycliste, le moteur-pompe 10 fonctionnant alors en pompe assurant la compression du fluide, et le transmettant au réservoir 17 par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour 16. La figure 5 représente le tiroir 15 en position d'assistance au pédalage, sous l'effet du fluide sous pression issu du réservoir 17 et transitant par le moteur-pompe 10.

Les figures 6, 7 et 8 présentent 3 possibilités de commande du tiroir 15 : à partir du cadre 1 par une tige ou un cable push-pull 22, à partir du guidon par un câble souple 23 avec ressort de rappel 24, à partir du guidon par deux câbles 23 reliant le tiroir 15 à la poignée tournante 21 placée sur le guidon. Par rapport à un levier cranté 20, la commande à 2 câbles 23 permet d'obtenir une solution avantageuse de commande du tiroir 15 à partir d'une poignée tournante 21 sous la main du cycliste: un rappel élastique en position centrale lui redonne automatiquement l'usage conventionnel. Une solution simple pour réaliser ce rappel en position centrale apparaît figure 8, avec deux ressorts antagonistes 24, à chaque extrémité du tiroir 15: la poignée tournante 21 donne de l'assistance en la pivotant dans le sens de l'accélérateur d'une moto, et permet dans l'autre sens au cycliste de recharger son réservoir en pédalant. Avec ces dispositifs, la bicyclette procure une assistance au pédalage lorsque le cycliste le souhaite, lui donne un usage conventionnel avec roue libre 6 lorsqu'il relache la poignée 21, et permet de recharger le réservoir 17 en pédalant sur le plat ou en descente lorsqu'il sollicite la poignée en sens opposé. Du fait de la roue libre 6, ce dispositif ne permet toutefois pas de récupérer l'énergie cinétique pour recharger le réservoir 17 lors d'une descente prolongée, ou pour ralentir la bicyclette avant l'arrêt. Pour récupérer l'énergie cinétique du véhicule, il faut une bicyclette avec dispositif de changement de rapports dans le moyeu commandé par câble 43, qu'il n'est pas nécessaire de décrire ici, s'agissant d'une solution largement répandue: dans ce cas représenté figure 9, la chaine 4 est alors en mesure de transmettre du couple dans les deux sens, contrairement aux bicyclettes à dérailleur.

Le premier principe proposé est de compléter le dispositif précédent par une quatrième position de la commande, en utilisant la course supplémentaire du câble pour verrouiller la roue libre et récupérer l'énergie du véhicule, tout en conservant au niveau du tiroir 15 les connections permettant de recharger le réservoir 17.

L'adaptation du tiroir de commande 15 à cette quatrième position est présentée en figure 10 : le coulissement supplémentaire ne modifie pas les circuits, mais suppose l'enfoncement d'un composant élastique précontraint supplémentaire 25, permettant de positionner nettement par un seuil d'effort la position intermédiaire de recharge du réservoir par pédalage sans freinage du véhicule. Pour verrouiller la roue libre, deux variantes sont proposées : Une solution simple consiste à prolonger un câble jusqu'à l'arrière, comme représenté figure 11 : le verrouillage de la roue libre peut être assuré par friction entre disques 26 liés au moyeu de roue 8 et aux pignons 5 sur lesquels la chaine 4 vient engrèner, l'ensemble étant plaqué par la tension du câble 28, transmise par un levier 27.

Ce verrouillage peut aussi être obtenu par une butée tournante avec des rampes à épaisseur variable 29, fonction de sa position angulaire telle que représenté figure 12, butée tournante qui prendrait appui sur l'axe du moyeu 9 pour plaquer les disques de friction. Avec un verrouillage de roue libre, la récupération d'énergie en descente entraine les pédales, ce qui est énergétiquement inutile et désagréable par le cycliste. Le second principe proposé évite cette contrainte en court-circuitant la roue libre pour ne pas de la verrouiller : il implique de dissocier l'entrainement de la pompe 10 du plateau 3 en utilisant une couronne dentée 30 placée en symétrie, et de dissocier le pédalier 2 du plateau d'entrainement 3 de la chaine 4 au moyen d'une roue libre 6 remplaçant celle habituellement intégrée au moyeu de roue arrière. Un dispositif de crabotage est prévu pour lier la couronne dentée 30 entrainant le moteur-pompe 10, soit au pédalier 2, soit directement au plateau 3 d'entrainement de la chaine 4. Le câble de commande 34 peut déplacer la fourchette 32 entrainant le manchon de crabottage 31 dans la position de récupération, ainsi que présenté coté droit dans la figure 13. L'implantation de la roue libre et le dispositif de crabotage avec ressort 30 de rappel 38 sont représentés avec une pompe à palettes, mais ce principe est utilisable avec d'autres technologies de pompes. Ce principe permet de réaliser la fonction de récupération d'énergie sans subir les désagréments cités précédemment, tout en respectant la contrainte réglementaire associant assistance et pédalage, 35 puisque la liaison directe n'est possible que dans une position du tiroir 15 qui ne donne pas accès à l'assistance. Cette position de récupération d'énergie réduit l'intérêt de la position de recharge du réservoir par pédalage, conduisant à proposer deux variantes associant directement de part et d'autre de la position neutre (usage conventionnel) une position d'assistance au pédalage et une position de récupération d'énergie. Ainsi que présenté figure 14, le court-circuitage de la roue libre 6 peut être obtenu dans la position du tiroir 15 permettant de recharger le réservoir 17, celui-ci pouvant être implanté parallèlement au manchon de crabotage 31: la commande est alors commune, par une fourchette de crabotage 32, guidée sur un axe situé entre les deux. Cette fourchette peut être déplacée mécaniquement comme décrit précédemment, ou au moyen d'un vérin à double effet utilisant la source de pression. Il est représenté figure 14 par deux poumons 35 et 36, le premier étant alimenté sur demande d'assistance du cycliste, le second sur demande de freinage avec récupération d'énergie. La commande du cycliste, par exemple à partir d'une poignée tournante 21, est alors transmise mécaniquement à un second tiroir 37. En position neutre faisant l'objet d'un rappel élastique par ressorts, il isole le réservoir 17et n'entraine pas le moteur-pompe 10. De part et d'autre, il vient alimenter en pression, soit le poumon d'assistance 35 avec lettre P coté gauche, soit le poumon de récupération 36, avec lettre P coté droit de la figure 15.

Cette solution évite totalement la traînée résiduelle liée à l'entrainement à vide de la pompe en usage conventionnel de bicyclette, celle-ci n'étant pas entrainée : elle ne l'est plus qu'en usage d'assistance ou de récupération d'énergie, là où elle est utile. Une dernière variante particulièrement avantageuse est présentée figure 16 :en commandant indépendamment le manchon de crabotage et le tiroir, les 3 états peuvent être obtenus avec un tiroir 15 à 2 positions avec rappel en position de récupération, l'état neutre étant obtenu dans cette position par la position de repos du manchon de crabotage. Pour obtenir la récupération d'énergie, il suffit d'alimenter en 30 pression la cartouche de rappel 38 du manchon de crabotage située coté droit, représentée coté droit de la figure 16 avec la lettre P. Pour obtenir l'assistance, il suffit d'alimenter en pression la cartouche de rappel 38 du manchon de crabotage située coté gauche, ainsi que l'extrémité du tiroir 15 qui vient alors se placer en position 35 d'assistance, tiroir représenté coté gauche avec la lettre P. Cette solution est présentée en figure 16 avec deux cartouches de rappel concentriques 38 permettant d'éviter la fourchetterie de commande, sans que cela soit restrictif de l'invention. - 8, - Outre l'exigence d'une assistance qui ne fonctionne qu'au pédalage, la réglementation des bicyclettes impose une limite de puissance (250 W) qui sera obtenue par le dimensionnement, mais aussi une limitation de vitesse pour l'assistance (25 km/h), qui suppose de créer un dispositif mécanique adapté, en l'absence d'une électronique capable de contrôler l'assistance comme sur les « Vélos à Assistance Electrique ». La solution proposée et représentée en figure 17 est d'introduire sur le moyeu de roue 8 un régulateur à boules 40 venant déplacer latéralement un roulement coulissant 39 sur l'axe du moyeu 8, en appui sur un ressort de rappel 41. Ce ressort est précontraint et a une raideur suffisamment faible pour se libérer dès que la vitesse atteint la limite réglementaire (25 km/h), correspondant à un seuil d'effort centrifuge venant comprimer le ressort.

Ce mouvement est transmis par câble ou levier à une vanne de coupure 19 venant fermer la communication entre réservoir 17 et moteur-pompe 10. L'autonomie limitée du dispositif d'assistance rend important de garantir une recharge complète avant usage : les figures 3, 4 et 5 montrent donc l'implantation sur réservoir d'une valve pour compresseur externe permettant de recharger le réservoir en air comprimé, ou de recharger le réservoir d'un autre fluide sous pression pouvant être transféré à partir de la bâche (cas d'une solution hydraulique, comportant par exemple un bac à huile).

Selon l'invention, il est proposé que la connection de cette valve pour compresseur externe soit nécessaire pour replacer le véhicule sur son lieu de stockage, ce qui permet d'en déclencher automatiquement la recharge : cette solution schématisée en figure 18 est particulièrement judicieuse dans le cas de véhicules de location, pour lesquels la recharge sera automatique et beaucoup plus rapide qu'une recharge de batterie. Ces fonctions d'assistance au pédalage, limitation de vitesse, récupération d'énergie, et recharge automatique donnent un véhicule respectant la réglementation des bicyclettes, avec assistance au pédalage lorsque le cycliste le souhaite, avec usage conventionnel sans traînée pénalisante lorsqu'il relache la poignée, et avec possibilité de recharge du réservoir par récupération d'énergie en tournant la poignée dans le sens opposé, permettant alors de freiner progressivement sans agir sur les freins.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1 - Dispositif d'assistance au pédalage caractérisé en ce que l'assistance est obtenue en reliant, par l'intermédiaire d'un tiroir distributeur (15), un réservoir de fluide sous pression (17) à un moteur-pompe (10) pouvant être lié en rotation au pédalier (2) en mode d'assistance, pour que l'assistance soit liée au pédalage, respectant ainsi la réglementation des bicyclettes.
2. 2 - Dispositif d'assistance au pédalage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur-pompe (10) est entrainé directement par le plateau du pédalier (3), dans une zone dégagée par la chaine (4), devant la roue arrière (7).
3. 3 - Dispositif d'assistance au pédalage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'interface entre le réservoir de fluide comprimé (17) et le moteur-pompe (10) est réalisée par un tiroir coulissant à positions multiples (15), l'une mettant en communication l'entrée (13) et la sortie (14)du moteur-pompe (10) pour limiter la traînée, les positions adjacentes permettant de l'utiliser soit en assistance au pédalage, soit en pompe pour augmenter la pression du réservoir (17).
4. 4 - Dispositif d'assistance au pédalage suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la commande des différents états (assistance, bicyclette conventionnelle, recharge réservoir,...) est obtenue par une poignée tournante (21), entrainant deux câbles (22) en directions opposées.
5. 5 - Dispositif d'assistance au pédalage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la récupération d'énergie cinétique du véhicule est obtenue par verrouillage de la roue libre (6) d'une bicyclette, conduisant ainsi à entrainer la pompe (10) et à recharger le réservoir (17) de fluide sous pression.- 10 -
6. 6 - Dispositif d'assistance au pédalage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la roue libre (6) habituellement intégrée au moyeu arrière (8) est reportée entre le pédalier (2) et le plateau (3) pour permettre la récupération d'énergie sans entrainer les pédales, la roue libre (6) étant court-circuitée dans une position du tiroir de commande (15) qui ne donne pas accès à l'assistance.
7. 7 - Dispositif d'assistance suivant la revendication précédente caractérisé en ce que la position intermédiaire du manchon de crabotage (31) entre assistance et récupération d'énergie déconnecte le moteur-pompe (10) pour en éviter la traînée en usage conventionnel de bicyclette.
8. 8 - Dispositif d'assistance au pédalage suivant la revendication 1 caractérisé par l'utilisation du réservoir de pression (17) pour commander ses différents modes de fonctionnement, notamment pour réaliser des fonctions de crabotage et décrabotage.
9. 9 - Dispositif d'assistance au pédalage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'alimentation du moteur-pompe (10) par le réservoir (17) est automatiquement coupée à la vitesse réglementaire par une vanne (19) dont le déplacement est engendré par un régulateur à boules (40) lié en vitesse à une des roues.
10. 10 - Dispositif d'assistance au pédalage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le réservoir de fluide comprimé (17) comporte une valve (18) qui est nécessairement connectée lorsque la bicyclette revient sur une base de façon à y être automatiquement rechargé en pression.