FR3079811A1 - Reducteur pour systeme d'assistance electrique pour cycle - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un système d'assistance électrique pour cycle (1) à assistance électrique, comprenant un dispositif de réduction (100) comprenant : - une entrée configurée pour recevoir un effort généré par un dispositif de motorisation électrique du cycle (1), - une sortie configurée pour entraîner en rotation un organe mobile du cycle (1) pris parmi un arbre (11) de pédalier du cycle (1) et un moyeu (6) de roue du cycle (1), - le dispositif de réduction (100) comprend au moins un train épicycloïdal comprenant : - au moins un porte-satellites (140) configuré pour être entraîné par ledit dispositif de motorisation, - au moins un jeu d'au moins deux satellites (130), chaque satellite (130) du jeu étant monté en rotation sur le porte-satellites (140) et comprenant au moins un premier et un deuxième pignons (131, 132), - au moins une couronne fixe (120) solidaire d'un cadre du cycle (1), au moins lorsque le dispositif de motorisation est activé, la couronne fixe (120) étant configurée pour engrener avec le premier pignon (131) de chaque satellite (130), - au moins une pièce d'entraînement (150), portant une denture configurée pour engrener avec le deuxième pignon (132) de chaque satellite (130) et configurée pour être entraînée en rotation par les satellites (130) et pour entraîner en rotation ledit organe mobile au moins lorsque le dispositif de motorisation est activé.

Description

Réducteur pour système d’assistance électrique pour cycle
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
L’invention concerne le domaine des assistances électriques pour cycle. Elle trouve pour application particulièrement avantageuse mais non limitative les cycles de type vélo de route ou vélo tout-terrain (VTT, souvent désigné par le vocable anglais moutain bike) à assistance électrique.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Il existe de nombreuses solutions pour vélos à assistance électrique (habituellement désignés par l’acronyme VAE ou par le vocable anglais electricbike ou e-bike).
Certaines de ces solutions consistent à ce qu’un moteur entraîne en rotation l’axe de pédalier du cycle ou une roue du cycle.
Une solution pour entraîner un arbre de pédalier est décrite dans le document EP2724926. En pratique, les cycles à assistance électrique, notamment ceux intégrant la solution du document EP2724926, sont nettement moins maniables que les cycles à propulsion uniquement musculaire. Le pilotage s’en trouve moins précis, moins confortable et moins ludique.
Pour cette raison, de nombreux utilisateurs, notamment en vélo de route et en vélo tout-terrain, se plaignent de trouver des sensations de pilotage avec un cycle à assistance électrique trop éloignées de celles procurées par un cycle à propulsion uniquement musculaire.
Il serait donc particulièrement avantageux de proposer une solution permettant de réduire, voire de supprimer, les inconvénients mentionnés ci-dessus concernant les cycles à assistance électrique.
Tel est un objectif de la présente invention.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent y être incorporés.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION
Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation la présente invention prévoit un système d’assistance électrique pour cycle à assistance électrique, comprenant un dispositif de réduction comprenant :
une entrée configurée pour recevoir un effort généré par un dispositif de motorisation électrique du cycle, une sortie configurée pour entraîner en rotation un organe mobile du cycle pris parmi un arbre de pédalier du cycle et un moyeu de roue du cycle.
Le dispositif de réduction comprend au moins un train épicycloïdal comprenant :
au moins un porte-satellites configuré pour être entraîné par ledit dispositif de motorisation, au moins un jeu d’au moins deux satellites, chaque satellite du jeu étant monté en rotation sur le porte-satellites et comprenant au moins un premier et un deuxième pignons, au moins une couronne, c’est-à-dire une pièce tubulaire comportant une denture intérieure, laquelle est fixe et solidaire d’un cadre du cycle, au moins lorsque le dispositif de motorisation est activé, la couronne fixe étant configurée pour engrener avec le premier pignon de chaque satellite, au moins une pièce d’entraînement, portant une denture configurée pour engrener avec le deuxième pignon de chaque satellite et configurée pour être entraînée en rotation par les satellites et pour entraîner en rotation ledit organe mobile au moins lorsque le dispositif de motorisation est activé.
Cette solution permet de réduire considérablement la vitesse en sortie par rapport à celle appliquée en entrée du dispositif de réduction et d’augmenter considérablement le couple d’assistance fourni à l’organe mobile, tout en présentant un encombrement limité.
En particulier, le dispositif de réduction peut être logé dans un boîtier de pédalier ou dans un moyeu en présentant un diamètre externe relativement faible.
Lorsqu’il est logé dans un boîtier de pédalier, le dispositif de réduction selon l’invention permet de réduire l’empattement du cycle, c’est-à-dire la distance entre le moyeu de la roue arrière et le boîtier de pédalier. Dans le cadre du développement de la présente invention, il a été constaté que cette réduction de l’encombrement améliore de manière considérable la maniabilité du cycle et donc les sensations de pilotage.
Typiquement, lorsqu’il est intégré dans un boîtier de pédalier dont le diamètre externe est inférieur à 90 millimètres, de préférence inférieur à 80 mm, le dispositif de réduction selon l’invention permet aisément d’obtenir un rapport de réduction supérieur à 10, et même pouvant aller jusqu’à 50. Pour obtenir ce même rapport de réduction, un dispositif selon la solution décrite dans le document EP2724926 mentionné dans la section relative à l’état de la technique, présenterait un diamètre d’au moins 160 mm.
De même, lorsqu’il est intégré dans le moyeu d’une roue, il a été constaté que le dispositif de réduction selon l’invention permet, grâce à son faible encombrement, de réduire l’inertie de la roue et conduit à une augmentation significative de l’agilité du cycle.
Pour rappel, les motorisations électriques de moyeux sont de plusieurs types :
Un premier type de motorisation est de type à moteur direct tubulaire, c’est-à-dire que le moteur a une forme globalement tubulaire permettant de laisser passer l’axe du moyeu en son centre et le rotor (ou stator) du moteur entraîne directement le moyeu, les deux tournant ainsi à la même vitesse de rotation, ce type de moteur est par exemple décrit dans les documents US2015/298537 ou US2017/0040879, ce type de moteur doit avoir un grand nombre de pôles ainsi qu’un grand diamètre pour générer un couple moteur suffisant. La grande dimension de son circuit magnétique qui est nécessairement réalisé à partir de fer et d’aimants permanents, ainsi que ses multiples bobinages de fils de cuivre, tous ces matériaux denses ont une masse volumique élevée, ce qui conduit inévitablement à réaliser un moteur très lourd, encombrant et coûteux avec une puissance spécifique globale assez médiocre. De plus l’inconvénient de ce type de moteur est qu’il n’est pas particulièrement aisé de déconnecter l’entraînement du moteur lorsque le cycliste veut pédaler sans assistance, il doit donc dans ce cas d’utilisation faire tourner le moteur à vide ce qui génère des pertes de puissance par hystérèse magnétique et par courant de Foucault dans le circuit magnétique, ces pertes de puissance ralentissent le cycliste lorsqu’il utilise son vélo sans assistance.
Un second type de motorisation de moyeu est du type moteur tubulaire réducté, ce type de construction possède donc un moteur de forme globalement tubulaire permettant de laisser passer l’axe du moyeu en son centre et possède un réducteur de vitesse permettant de réduire la vitesse de rotation du moyeu comparativement à la vitesse du moteur mais d’augmenter le couple transmis au moyeu. Ce type de construction est par exemple décrit dans le document CN203416066, on y trouve un moteur ayant un rotor magnétique en forme de cloche tournant autour de l’axe central du moyeu et entraînant l’entrée d’un train épicycloïdal par un pignon solaire percé pour laisser passer l’arbre du moyeu en son centre. Ce type de réducteur Z épicycloïdal a un rapport de réduction égal à R = 1 + ou Zi représente le nombre de dents du pignon solaire central et Z3 représente le nombre de dents de la couronne extérieure liée au moyeu, dans l’exemple décrit dans ce document le ratio de réduction est d’environ R=5,2. Pour maximiser le rapport de réduction, le pignon solaire a intérêt à être le plus petit possible et la couronne extérieure la plus grande possible, or le pignon central ne peut pas être trop réduit car l’axe central doit être suffisamment rigide et résistant pour tenir les sollicitations exercées sur la roue et transmises au cadre par l’intermédiaire de cet axe. De plus afin de permettre au cycliste de démonter rapidement sa roue, l’axe central est très souvent percé d’un trou permettant le passage d’une broche de bridage comme par exemple décrite dans le brevet FR2742193 ou FR 3037919, ce type de broche impose d’augmenter le diamètre extérieur de l’arbre et donc d’augmenter la taille du pignon solaire et donc d’augmenter de manière proportionnelle le diamètre de la couronne extérieure ce qui conduit à avoir un moyeu très encombrant. Ce deuxième type de construction est néanmoins globalement un peu moins lourd que la construction du premier type.
Un troisième type de motorisation décrite dans le brevet CN106697170, consiste à placer un moteur non tubulaire au centre du moyeu de la roue et de décomposer l’arbre en deux demi-arbres distincts et de faire passer les contraintes de flexion entre les deux demiarbres par le corps du stator du moteur, cette solution permet de placer à l’extrémité du rotor du moteur central, un pignon solaire central de petite dimension et d’obtenir ainsi un rapport de réduction de vitesse du train épicycloïdal nettement plus élevé permettant d’augmenter le couple d’assistance sur la roue. La solution décrite dans ce document possède des pignons satellites comportant 2 pignons accolés permettant aussi de maximiser le rapport de réduction Z Z qui devient R = 1+-—·, en utilisant un très petit pignon solaire Zi et un pignon satellite ^2^3 comportant Z2 et Z2- dents on obtient ainsi un rapport de réduction estimé de 13,5 mais avec une construction compliquée, onéreuse et dégradant la résistance et la rigidité de l’arbre du moyeu par le fait qu’il soit scindé en deux parties distinctes. Ce troisième type de construction est globalement le moins lourd des trois types de construction cités mais son principal inconvénient est qu’il ne permet absolument pas d’envisager l’usage d’une broche traversante de serrage, ce qui ne permet pas de rendre le montage / démontage de la roue rapide et compatible avec les cadres de vélos existants.
L’invention a donc pour objectif de réaliser un moyeu à assistance électrique compact, léger tout en restant compatible avec les systèmes de broches et blocages traversants, ou de réaliser un boîtier de pédalier à assistance électrique compact et léger.
Par ailleurs, l’invention permet de donner au cycle à assistance électrique un aspect esthétique proche, voire identique, à celui d’un cycle à propulsion uniquement musculaire.
Par ailleurs, la solution selon l’invention permet d’offrir un rapport de réduction très important. Elle permet ainsi de fournir une puissance spécifique (rapport puissance d’assistance/ ajout de masse) très élevée un couple important au niveau du moyeu ou de l’arbre de pédalier.
Par ailleurs, le couple transmis par cet engrenage est réparti sur les nombreuses dents des couronnes et des satellites. Il est alors parfaitement envisageable de fabriquer les engrenages en matière thermoplastique. Cela permet de limiter considérablement les coûts de production. C'est notamment le cas pour la réalisation de la couronne conique. En effet, fabriquer cette dernière dans une matière thermoplastique permet de réduire drastiquement son coût de fabrication, d’améliorer le rendement en réduisant le coefficient de frottement du couple de matériau composant l’engrenage, tout en permettant de pouvoir fonctionner sans graissage, en limitant l’usure et en réduisant le bruit émis par la denture améliorant significativement le confort de l’utilisateur.
De manière générale si les engrenages sont en matériaux métalliques il est extrêmement recommandé de les lubrifier par huile ou graissage, si l’un d’entre eux est en thermoplastique adapté au frottement et que l’autre est en métal, alors dans ce cas il n’est plus indispensable de lubrifier, de manière générale il est préférable de réaliser le pignon ayant le plus de dents en matériau plastique et le plus petit en matériau métallique car la fréquence de travail des dents du petit pignon est plus élevé et il est donc nécessaire que ce dernier soit mieux refroidi par la bonne conduction thermique du métal. Dans le cas d’engrenages mixte thermoplastique / métal il est conseillé d’avoir des dents en thermoplastique plus épaisses que celles en acier, c’est-à-dire qu’en se positionnant sur le diamètre primitif, l’épaisseur des dents métalliques est inférieure à la moitié du pas, alors que l’épaisseur des dents en thermoplastiques est supérieure à la moitié du pas de manière à renforcer la dent en thermoplastique dont les propriétés de résistance mécanique sont inférieures à celles de l’acier.
Les grandes couronnes peuvent être réalisées de préférence en bi-matière en réalisant une cloche métallique ayant une bonne rigidité, une grande résistance, une bonne stabilité dimensionnelle ainsi qu’une très bonne conductivité thermique et une couronne thermoplastique relativement fine pour bien conduire la chaleur à la cloche métallique sur laquelle elle est surmoulée ou rapportée par insertion. Les alliages d’aluminium ou de magnésium sont particulièrement recommandés pour réaliser cette cloche métallique.
Par ailleurs, cela permet de réduire fortement le poids du système d’assistance par rapport aux solutions intégrant des matériaux tels que l’acier, or, le poids est un paramètre crucial dans les performances du cycle.
Cela permet également de réduire fortement le bruit et donc d’améliorer le confort d’utilisation.
Les moteurs dits « sans fer >> sont connus pour être très légers et ayant une puissance spécifique très élevée. Ils auraient éventuellement constitué une alternative naturelle pour des solutions telles que celles décrites dans le document EP2724926.
Néanmoins, ce type de moteur génère des vitesses de rotation très élevées et des couples faibles. Il aurait alors été nécessaire de prévoir des rapports de réduction très élevés pour des vitesses de rotation élevées ce qui aurait conduit à des rendements faibles, et donc, soit à une consommation excessive des batteries, soit à des couples réduits par la baisse du rendement du réducteur.
De plus, la solution décrite dans le document EP1878650 comporte un motoréducteur composé d’un moteur associé à un réducteur probablement à trois étages ayant un rapport de réduction d’environ 1/50, le rendement de ce type de réducteur est d’environ 70% ce qui est inférieur au rendement du moteur, ainsi le réducteur va générer plus de chaleur que le moteur, le fait de les associer l’un à l’autre ne permet pas d’optimiser le refroidissement du moteur dont les propriétés se dégradent très vite avec la température, de par l’augmentation de la résistivité du cuivre avec la température et la baisse du champ magnétique avec la température, il est donc préférable de dissocier le réducteur du moteur afin que la puissance thermique du moteur soit dissipée plus efficacement.
Dans la présente demande de brevet, on considère que le dispositif de motorisation est activé lorsqu’il délivre un couple au dispositif de réduction.
De manière facultative, l’invention peut en outre présenter au moins l’une quelconque des caractéristiques suivantes :
Selon un exemple de réalisation, le porte-satellites, la pièce d’entraînement et l’organe mobile tournent autour d’un même axe X.
Selon un exemple de réalisation, la couronne fixe présente une denture centrée sur l’axe de rotation X de l’organe mobile.
Ainsi, ce dispositif de réduction peut-être qualifié de coaxial relativement à l’organe mobile formé par l’arbre du pédalier ou le moyeu.
Le porte-satellites constitue l’entrée du dispositif de réduction.
La pièce d’entraînement constitue la sortie du dispositif de réduction. La pièce d’entraînement forme une couronne.
Le dispositif de réduction est configuré pour que sa sortie fournisse audit organe mobile un couple supérieur à celui reçu à son entrée par le dispositif de motorisation. La vitesse en sortie du dispositif de réduction est réduite d’un rapport r compris entre 10 et 200.
Selon un exemple de réalisation, les satellites sont contenus dans un même plan.
Selon un exemple, les deux pignons d’un même satellite sont adjacents.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les deux pignons d’un même satellite présentent un même nombre de dents, mais un module légèrement différent. C’est-à-dire, qu’ils ont un diamètre primitif légèrement différent. Dans ce cas le rapport ki existant les diamètres primitifs des deux pignons d’un même satellite est tel que 1 < ki < 1.3, de préférence 1 < ki < 1.2 et de préférence 1 < ki < 1.1 et de préférence 1 < ki < 1.07.
Selon un autre mode de réalisation, les premier et deuxième pignons d’un même satellite ont un module d’engrenage identique et présentent un nombre de dents Z131 et Z132 tel que Z131 = k2 x Z132, avec 1 < k2 < 1.7, de préférence 1 < k2 < 1.3, de préférence 1 < k2 < 1.2 et de préférence 1 < k2 < 1.1 et de préférence 1 < k2 < 1.07. Ainsi, les deux pignons adjacents ont un nombre de dents très voisins. Le rapport de réduction est alors très grand.
Pour rappel, le diamètre primitif d’un pignon est le produit de son nombre de dents, Z, par son module noté m (D primitif = m . Z).
Selon un exemple de réalisation, les deux pignons d’un même satellite présentent deux diamètres primitifs respectivement D131 etDi32, avec Di3i> Di32, les couronnes sur lesquelles ils sont engrenés ont des diamètres primitifs Di20 et D150, on peut noter que l’écart A=Dl31-Dl 32 = Di2O-Di5o , le rapport de réduction de ce réducteur vaut alors :
r _ _____O150· 0131______ _ _____1_____
D1S0· D131 — D120. D132 _ 0132 O120
0131^150
Dans cette expression le rapport de réduction va tendre vers l’infini lorsque le dénominateur va tendre vers zéro, ainsi lorsque le rapport entre D131 et D132 et entre Di2oet D150 tend vers 1 le rapport de réduction va tendre vers l’infini.
Selon un exemple, ledit organe mobile est un arbre de pédalier et, de préférence, la couronne fixe est portée par un boîtier du pédalier.
Selon un exemple de réalisation, la couronne mobile, le porte-satellites, la pièce d’entraînement sont mobiles en rotation autour du même axe de rotation que celui de l’arbre du pédalier.
L’invention présente aussi pour avantage que le diamètre extérieur de l’arbre du pédalier ou de la roue ne porte pas de couronnes dentées. Il s’ensuit que le diamètre extérieur de cet arbre peut être augmenté sans réduire le rapport de réduction du dispositif de réduction. Or, pour améliorer les performances des cycles, l’augmentation du diamètre externe de l’arbre du pédalier ou de la roue permet d’augmenter fortement la rigidité du pédalier ou de la roue, sans pour autant pénaliser le poids pour peu que l’arbre soit creux, ce qui est plus particulièrement avantageux en vélo de route.
Ainsi, l’invention répond également à la problématique consistant à augmenter la rigidité du cycle sans pénaliser son poids.
Selon un mode de réalisation, ledit porte-satellites est solidaire en rotation, au moins lorsque le dispositif de motorisation est activé, d’une couronne mobile configurée pour engrener avec un organe moteur du dispositif de motorisation, l’organe moteur tournant autour d’un axe Z perpendiculaire à l’axe X de rotation de l’organe mobile.
Selon un mode de réalisation, la couronne mobile présente une denture conique complémentaire d’un pignon conique formé par l’organe moteur.
Selon un mode de réalisation, le système comprend le dispositif de motorisation, le dispositif de motorisation comprenant un moteur logé dans une partie d’un cadre du cycle, ladite partie étant prise parmi :
un tube de selle, un tube oblique s’étendant depuis un boîtier du pédalier, un tube de base reliant un boîtier du pédalier à un moyeu d’une roue arrière.
Ce mode de réalisation présente pour avantage d’être plus robuste qu’une autre solution dans laquelle l’organe moteur, typiquement un pignon conique, entraînerait directement l’arbre de pédalier typiquement solidaire d’une couronne conique. Ainsi, ce mode de réalisation permet de transmettre des couples de rotation élevés. En effet, l’effort tangent transmis au pédalier ou au moyeu se fait par le porte-satellites et de nombreuses dents contribuent à transmettre l’effort de transmission.
Par ailleurs, le rapport de réduction permis par ce système d’assistance électrique permet d’abaisser considérablement la vitesse de rotation du moteur et réduit le couple au niveau de l’engrenage formé par l’organe entraîné par le moteur et par la couronne mobile. Typiquement, cet engrenage est formé par un couple conique. Le couple de cet engrenage étant considérablement réduit, les pressions s’exerçant sur les dents de cet engrenage sont également réduites. Les contraintes de positionnement des dentures peuvent alors être relâchées. Il n’est donc pas nécessaire de procéder à des réglages et à une maintenance aussi complexes et fréquents qu’avec les solutions classiques mentionnées ci-dessus comprenant un pignon moteur conique engrenant avec une couronne conique solidaire de l’arbre du pédalier.
Selon un mode de réalisation, ledit organe moteur entraîné en rotation par le moteur est un pignon conique.
Ainsi, le couple fourni par l’organe entraîné en rotation par le moteur est réparti sur plusieurs dents des pignons des satellites. Ainsi, le couple transmis par l’engrenage formé par l’organe et la couronne mobile, typiquement un engrenage conique, se trouve réduit par un rapport sensiblement égal au rapport des vitesses du train coaxial.
Selon un mode de réalisation, la couronne mobile et les satellites sont disposés de part et d’autre d’une direction autour de laquelle tourne ledit organe moteur.
Ce mode de réalisation permet de réduire l’encombrement axial dans le boîtier du pédalier. Par ailleurs, il présente une symétrie permettant de mieux équilibrer le poids du système sur le cadre, ce qui améliore encore sa maniabilité.
Selon un mode de réalisation alternatif, la couronne mobile est axialement disposée entre une direction autour de laquelle tourne ledit organe et les satellites.
La couronne fixe présente une denture intérieure.
Le boîtier de pédalier est solidaire du cadre du cycle.
Selon un mode de réalisation, le système selon l’invention comprend le dispositif de motorisation, le dispositif de motorisation comprenant un moteur présentant une sortie tournant autour du même axe X que le pédalier.
Ainsi, le porte-satellites est solidaire en rotation, au moins lorsque le dispositif de motorisation est activé, d’une couronne mobile configurée pour engrener avec un organe moteur du dispositif de motorisation, l’organe moteur tournant autour d’un axe X parallèle à l’axe X de rotation de l’organe mobile formé par l’arbre de pédalier ou par un moyeu de roue avant ou arrière.
Dans ce cas, une cartouche tubulaire peut intégrer le moteur et le dispositif de réduction, ainsi que l’axe des manivelles du pédalier et leurs roulements à billes.
Selon un mode de réalisation, le moteur est logé à l’intérieur d’un boîtier du pédalier.
Ce mode de réalisation permet de réduire encore l’encombrement du système.
Selon un mode de réalisation, ledit organe mobile est un moyeu d’une roue du cycle et, de préférence, ladite couronne fixe est solidaire, au moins lorsque le dispositif de motorisation est activé, d’un axe de la roue.
L’axe est solidaire du cadre du cycle en phase de roulage du cycle.
Selon un mode de réalisation, le système selon l’invention comprend le dispositif de motorisation, le dispositif de motorisation comprenant un moteur présentant une sortie tournant autour d’un même axe X que le moyeu.
Ainsi, le porte-satellites est solidaire en rotation, au moins lorsque le dispositif de motorisation est activé, d’une couronne mobile configurée pour engrener avec un organe moteur du dispositif de motorisation, l’organe moteur tournant autour d’un axe X parallèle à l’axe X de rotation de l’organe mobile formé par le moyeu.
Selon un mode de réalisation, le moteur est logé à l’intérieur du moyeu.
Ce mode de réalisation permet de réduire encore l’encombrement du système.
Selon un mode de réalisation, le moteur est configuré pour être solidaire de l’axe de la roue.
Selon un mode de réalisation, au moins un dispositif de roue libre est configuré pour permettre une rotation de l’organe mobile indépendamment de la rotation d’un moteur du dispositif de motorisation.
De préférence, la roue libre est configurée de manière à permettre à l’utilisateur de faire tourner le pédalier sans entraîner en rotation le moteur, et de préférence sans entraîner en rotation tout ou partie du train épicycloïdal.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de roue libre est situé à l’un au moins des emplacements suivants :
sur le porte-satellites, entre le porte-satellites et le dispositif de motorisation, sur la couronne fixe, entre l’organe mobile et ladite pièce d’entraînement du pédalier.
Un autre aspect de la présente invention concerne un cycle, par exemple un vélo de route ou un vélo tout-terrain (moutain bike), équipé d’un système d’assistance électrique selon l’invention.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée de modes de réalisation de cette dernière qui sont illustrés par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :
La FIGURE 1 est une vue d’ensemble d’un vélo intégrant un système d’assistance électrique selon un exemple de l’invention.
La FIGURE 2 est une vue d’un agrandissement d’une partie de la figure 1, centrée sur le boîtier du pédalier.
Les FIGURES 3 à 6 illustrent un premier mode de réalisation d’un système d’assistance électrique selon la présente invention, le dispositif de réduction étant logé dans un boîtier de pédalier. La figure 3 est une vue en coupe selon l’axe du pédalier. Les figures 4 à 6 sont des vues éclatées, prises selon différents angles de vue, du système d’assistance électrique illustré en figure 3.
Les FIGURES 7 à 10 illustrent un deuxième mode de réalisation d’un système d’assistance électrique selon la présente invention, le dispositif de réduction étant logé dans un boîtier de pédalier. La figure 7 est une vue en coupe selon l’axe du pédalier. Les figures 8 à 10 sont des vues éclatées, prises selon différents angles de vue, du système d’assistance électrique illustré en figure 7.
La FIGURE 11 illustre un troisième mode de réalisation d’un système d’assistance électrique selon la présente invention, le dispositif de réduction étant logé dans un moyeu de roue arrière. La figure 11 est une vue en coupe selon l’axe du moyeu.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
Plusieurs modes de réalisation de la présente invention vont maintenant être décrits en référence aux figures 1 à 11.
Les figures 1 à 10 illustrent des exemples de réalisation dans lesquels le système d’assistance entraîne en rotation un pédalier du cycle.
La figure 1 illustre un cycle 1 à assistance électrique intégrant un système d’assistance selon la présente invention. On remarquera que, sur cet exemple, l’aspect esthétique du cycle 1 est proche, voire identique à celui d’un cycle à propulsion uniquement musculaire.
Dans cet exemple, le dispositif de motorisation comprend un moteur 200 qui est logé à l’intérieur d’un élément formant le cadre du cycle 1. Il peut par exemple être logé à l’intérieur du tube de selle 2, comme illustré sur les figures 3 à 7, ou dans le tube 3 oblique, ou dans l’une des bases 4 reliant le pédalier au moyeu 6 de la roue 5 arrière. Alternativement, le moteur 200 peut être rapporté sur le cadre, par exemple en étant fixé à l’un de ces tubes 2, 3, 4 ou en étant fixé à l’extérieur du boîtier 10 du pédalier. Les figures 7 à 10, qui seront décrites par la suite, illustrent un exemple dans lequel le dispositif de motorisation, tout au moins le moteur 200, est logé dans le boîtier 10 du pédalier.
Le moteur 200 est un moteur électrique. Il est alimenté de préférence par une batterie rapportée sur le cadre, ou logée à l’intérieur du cadre, ou encore portée par l’utilisateur. Le moteur 200 entraîne en rotation un organe moteur 201. Cet entraînement peut être direct. Alternativement, un réducteur distinct du moteur 200, couplé sur un arbre de sortie du moteur 200, permet à l’organe moteur 201 de tourner à vitesse plus réduite et avec un couple plus élevé que l’arbre de sortie du moteur 200. Selon encore une autre alternative, le moteur 200 est un motoréducteur, c’est-à-dire un moteur intégrant un dispositif de réduction.
Par souci de clarté, sur les figures, la référence 200 concerne aussi bien l’arbre de sortie du moteur, que le réducteur ou que la sortie d’un motoréducteur. De même, dans la présente demande de brevet, on considère que l’organe moteur 201 peut être soit formé par le moteur 200, soit entraîné directement par le moteur 200, soit entraîné par le moteur 200 par l’intermédiaire d’un autre élément tel que un réducteur.
Le terme dispositif de motorisation comprend le moteur 200 et l’organe moteur 201. Il peut comprendre ou non un dispositif de stockage d'énergie tel que des batteries.
De préférence, l’organe moteur 201 est entraîné en rotation autour du même axe de rotation que la sortie du moteur. Cet axe de rotation est perpendiculaire à celui autour duquel l’arbre 11 du pédalier tourne. L’axe de rotation du pédalier 11 et l’axe de rotation du moteur 200 correspondent respectivement aux axes X et Z du repère orthogonal illustré en figure 3. Ainsi, l’axe de rotation du moteur Z est perpendiculaire à celui X de l’arbre 11 du pédalier.
L’arbre 11 du pédalier est logé ou traverse un boîtier 10 de pédalier.
De préférence, l’organe moteur 201 entraîné par le moteur 200 est situé à l’intérieur du boîtier 10.
Selon un mode de réalisation optionnel illustré en figures 3 à 6, le boîtier 10 présente : un corps externe 12a formant un manchon ou une enveloppe cylindrique externe et un corps interne 12b configuré pour se loger à l’intérieur du corps externe 12a.
Par ailleurs, le corps interne 12b forme un flasque de fermeture du boîtier 10. Le boîtier 10 comprend également un capot 13 qui prend appui sur le corps 12b. Les corps 12a et 12b comprennent des alésages filetés 321 disposés en regard et disposés en regard de trous de passage 320 pour des vis dont les têtes prennent appui sur le capot 13.
Le boîtier 10 présente une ouverture 16 traversante permettant le passage de l’arbre 11 du pédalier. Afin de permettre un guidage précis et une bonne rigidité de l’arbre 11 du pédalier à l’intérieur du boîtier 10, on prévoit deux organes de roulement 301, 304, typiquement des roulements à billes.
Le boîtier 10 présente également un passage 15 permettant à l’organe moteur 201 de pénétrer à l’intérieur du boîtier 10. Selon un mode de réalisation optionnel illustré en figures 3 à 6, la paroi externe du boîtier 10 présente un méplat 14 permettant de faciliter le positionnement et le maintien en position de l’organe moteur 201 par rapport à un dispositif de réduction 100 logé à l’intérieur du boîtier 10.
Le dispositif de réduction 100 permet de transmettre les efforts depuis l’organe moteur 201 jusqu’à l’arbre 11 du pédalier.
Un premier mode de réalisation d’un dispositif de réduction va maintenant être décrit en détail en référence aux figures 3 à 6.
L’organe moteur 201 est un pignon qui engrène avec une couronne mobile 110 en rotation autour d’un axe identique à celui X de l’arbre 11 du pédalier.
De préférence, l’organe moteur 200 est un pignon conique et la couronne mobile 110 porte une denture 111 conique complémentaire de l’organe moteur 200.
La couronne 110 est montée en rotation libre autour de l’arbre 11 du pédalier. Pour cela, on peut prévoir des organes de roulement, tels que des roulements à billes 302, 305, disposés entre l’arbre 11 et la couronne 110. Pour le maintien en position axiale de la couronne mobile 110, on peut prévoir des anneaux élastiques 310, tels que des circlips, montés dans des gorges 11 d de l’arbre 11.
Sur ce mode de réalisation non limitatif, la couronne mobile 110 est solidaire en rotation d’un porte-satellites 140, au moins lorsque le moteur 200 est activé. De préférence, et comme illustré en figure 3, la couronne mobile 110 et le porte-satellites 140 forment une même pièce, de préférence monolithique. Alternativement on pourra prévoir que couronne et porte-satellites soient des pièces distinctes solidarisées entre elles.
Le porte-satellites 140 présente des logements 142 configurés pour accueillir des satellites 130. Ces satellites 130 sont au moins au nombre de deux, de préférence au nombre de trois et, éventuellement, au nombre de quatre. Sur l’exemple illustré, le dispositif de réduction 100 comprend trois satellites, configurés pour évoluer dans un même plan perpendiculaire à l’axe X du pédalier 11.
Sur cet exemple non limitatif, chaque satellite est solidaire d’un arbre 141 monté en rotation dans un logement 142 porté par le porte-satellites 140. A cet effet, on prévoit des roulements 306 typiquement des roulements à billes montés entre l’arbre 141 et le logement 142, il est préférable d’écarter le plus possible l’éloignement entre ces 2 roulements afin de minimiser la résultante radiale sur chacun de ces roulements créée notamment par le moment ortho-radial engendré par le fait que ces 2 pignons jumeaux ne sont pas dans le même plan. Selon un mode de réalisation alternatif non illustré, l’arbre 141 est solidaire du porte-satellites 140 et chaque satellite 130 est monté en rotation autour de l’arbre 141.
Sur cet exemple non limitatif, et de manière particulièrement avantageuse, chaque satellite 130 comprend deux pignons 131,132. Les deux pignons 131,132 de chaque satellite 130 sont placés parallèlement l’un par rapport à l’autre et sont solidaires l’un avec l’autre dans leur mouvement. Il peut s’agir de deux pignons réalisés indépendamment et assemblés préalablement au montage du réducteur, ou encore de deux portions distinctes d’une même pièce unitaire et monobloc qu’est le satellite.
Un premier pignon 131 engrène avec une couronne fixe 120 solidaire du boîtier 10 et donc solidaire du cadre du cycle 1. Cette couronne fixe 120 porte une denture interne 121. Cette couronne fixe 120 est par exemple rapportée à l’intérieur du boîtier 10 en étant solidarisée en rotation sur ce dernier, par exemple par l’intermédiaire d’une clavette ou de cannelures. Alternativement, cette couronne fixe 120 est formée par une paroi interne du boîtier 10. Ce dernier mode de réalisation est particulièrement avantageux lorsque la denture interne 121 est formée dans la même matière thermoplastique que la paroi interne du boîtier 10. La denture pourra alors être formée par exemple par moulage ou par injection. Un autre mode de réalisation, comme décrit précédemment, consiste à surmouler une couronne thermoplastique relativement fine (pour bien conduire la chaleur) dans un boîtier en alliage d’aluminium conduisant très bien la chaleur devant être évacuée à l’extérieur.
Le deuxième pignon 132 engrène avec une denture 151 portée par une pièce d’entraînement 150. De préférence, il s’agit d’une denture interne 151 portée par une couronne définie par la pièce d’entraînement 150. La pièce d’entraînement 150 est solidaire en rotation de l’arbre 11 du pédalier, par l’intermédiaire d’une roue libre 160 (fig3) lorsque le moteur est activé, en revanche si le moteur est à l’arrêt ou fait tourner la pièce d’entraînement 150 moins vite que l’arbre 11, la roue libre sera alors débrayée, n’opposant ainsi pas de résistance au pédalage du cycliste qui se retrouvera ainsi avec un pédalage non-assisté et non-freiné par le moteur. La roue libre représentée à la figure 3 est une roue libre à aiguille, elle pourrait également être à came ou à cliquets, au moins lorsque le moteur est activé.
L’arbre 11 présente un épaulement 11e formant une butée axiale pour la pièce d’entraînement 150 dans un premier sens. Un anneau élastique 310 permet le maintien axial de la pièce d’entraînement 150 dans un deuxième sens opposé au premier sens. Le roulement 305 de guidage du porte-satellites 140 vient en butée contre cet anneau élastique 310. Ainsi, la pièce formée par la couronne mobile 110 et le porte-satellites 140 est axialement maintenue par deux anneaux élastiques 310.
Ainsi, dans ce mode de réalisation, le dispositif de réduction 100 comprend un train épicycloïdal, coaxial avec le pédalier 1, dont l’entrée est le porte-satellite 140 et dont les satellites 130 comprennent chacun deux pignons 131, 132.
Les deux pignons 131, 132 sont adjacents. Ils forment chacun une denture dont les axes de symétrie sont coaxiaux.
De préférence, les pignons 131, 132 des satellites 130 ont un module d’engrenage identique et présentent un diamètre primitif voisin, cela permet d’augmenter très fortement le rapport de réduction. Afin de faciliter la fabrication et le montage de ces pignons satellites double dont les diamètres primitifs sont voisins, il est astucieux de réaliser ces pignons avec le même nombre de dents mais de faire varier très légèrement leur module de sorte que les diamètres primitifs seront voisins mais que les dents de ce pignon double pourront être moulées ou frittées plus simplement sans que les dents des pignons n’interfèrent axialement entre elles, de plus si les deux pignons ont le même nombre de dents le montage sera aussi beaucoup plus aisé car les pignons pourront s’engager dans n’importe quelle position angulaire alors que si l’on conservait le même module en faisant varier le nombre de dents, il n’existerait qu’une seule position de montage nécessitant un indexage angulaire de chaque pignon très contraignant au montage.
Si l’on fixe le module rm du premier train d’engrenage Di20/Di3i alors le module m2 du second train Di5o/Di32 peut se calculer comme ceci (Z150 — Z132)
----—7 (Z120 — Z131)
Avec dans notre cas Z131 = Z132
Par exemple, si le premier 131 et le deuxième 132 pignons d’un même satellite 130 présentent un diamètre primitif D131 et Di32 respectivement, on aura D131 = ki * D132, avec 1 < ki < 1.7, de préférence 1 < ki < 1.3, de préférence 1 < ki < 1.2 et de préférence 1 < ki < 1.1 et de préférence 1 < ki < 1.07.
Pour calculer le rapport de réduction on pourra appliquer la formule ci-dessous:
wentrée ^150-^131 1 γ = -----= ---------------- = ---------wsortie T>150. Z>131 — Z>120. Z>132 ^132 ^120 ^131D150
Avec :
r = rapport de réduction wentrée = vitesse de rotation en entrée, c’est-à-dire vitesse de rotation de la couronne mobile 110 formant porte-satellites 140
Wsortie = vitesse de rotation de l’arbre 11 du pédalier
Di20 = Diamètre primitif de la couronne fixe 120
D150 = Diamètre primitif de la couronne portée par la pièce d’entraînement 150.
D131 = Diamètre primitif du pignon 131 engrènement avec la couronne fixe 120.
D132 = Diamètre primitif du pignon 132 engrènement avec la pièce d’entraînement 150.
Exemple A :
Si Di 2o = 60 mm avec Zi2o = 120 dents de module 0,5
D150 = 58,935 mm avec ΖΊ5ο = 126 dents de module 0,4677 = 0,5.
(126—33)
Di3i = 16,5 mm avec ΖΊ3ι = 33 dents de module 0,5 et D132 = 15,435 mm avec Zi32 = 33 dents de module 0,4677
Ki= 16,5/15,435=1,069
58,935x16,5 r =------------------=21
58,935x16,5 - 60x15,435
Dans cet exemple A, les nombres de dents des deux couronnes sont tous deux divisibles par 2 et par 3 de sorte qu’il sera recommandé de disposer par exemple trois satellites à 120° ou deux satellites à 180°. Le couple d’entrée transmis par le couple conique sera ainsi divisé sensiblement par un rapport 21, rendant les efforts de denture sur ce couple conique quasinégligeables.
Exemple B
Si Di 2o = 60 mm avec Z120 = 120 dents de module 0,5
D150 = 59,45 mm avec ΖΊ5ο = 123 dents de module 0,4833 =
Di3i = 16,5 mm avec Z131 = 33 dents de module 0,5 et D132 = 15,95 mm avec Z132 = 33 dents de module 0,4833
K1 = 16,5/15,95=1,034
59,45x16,5 r =------------------= 41
59,45x16,5 - 60x16,5
Dans cet exemple B, les nombres de dents des deux couronnes sont tous deux divisibles par 3, il sera donc recommandé de disposer trois satellites à 120°.
Il est à noter que d’après la formule du rapport de réduction ci-dessus, et d’après les 2 exemples A et B, il est recommandé que le diamètre primitif Di20 de la couronne fixe soit très légèrement supérieur au diamètre primitif D150 de la couronne d’entrainement 150, cette constatation tient aussi du fait de la relation liant les deux diamètres d’orbites des satellites qui peut s’écrire ainsi :
Diamètre orbite = D120 — D131 = D150 — D132
Ce qui implique £>120 - ^iso = ^i3i - ^32 = (^1 - 1)· ^32
On retrouve ainsi : D120 = £>i50 + (^1 - 1)-^132 = ^iso (1 + (^1 - 1)·^) = ^iso ' ^150'
Avec ^ = 1 + (^-1).^- Or comme r*iso OiSD 2
On peut déduire une inéquation liant le rapport des diamètres des deux couronnes K( relativement au rapport du diamètre des satellites ΚΊ :
D120 _ d — 1 n ~ υ150
Que l’on peut vérifier sur l’exemple A :
, 60 κί = sms =1,009
1,034-1
--------= 1,017
Dans un autre mode de réalisation de l’invention, les pignons 131,132 des satellites 130 présentent un nombre de dents voisin. Comme on peut le constater ci-dessous, cela permet également d’augmenter très fortement le rapport de réduction. On peut ainsi qualifier ces satellites de satellites jumeaux.
Par exemple, si le premier 131 et le deuxième 132 pignons d’un même satellite 130 présentent un nombre de dents Z131 et Z132 respectivement, on aura ΖΊ3ι= k2 * Z132, avec 1 < k2 < 1.7, de préférence 1 < k2 s 1.3, de préférence 1 < k2 s 1.2 et de préférence 1 < k2 s 1.1 et de préférence 1 < k2 s 1.07.
Pour calculer le rapport de réduction on pourra appliquer la formule ci-dessous :
7150 χ7131
W entrée ^120 ^132 7i3qZ^3^ y = ----- = -----------= --------------wsortie ^150 χ^131 1 7150Z131 — Z120Z132
7120 7132
Avec :
r = rapport de réduction wentrée = vitesse de rotation en entrée, c’est-à-dire vitesse de rotation de la couronne mobile 110 formant porte-satellites 140
Wsortie = vitesse de rotation de l’arbre 11 du pédalier
Z120 = nombre de dents de la couronne fixe 120
Zi5o = nombre de dents de la couronne portée par la pièce d’entraînement 150.
Z131 = nombre de dents du pignon 131 engrènement avec la couronne fixe 120.
Z132 = nombre de dents du pignon 132 engrènement avec la pièce d’entraînement 150.
Exemple C :
Si Z120 = 60, Zi5o = 59, Z131 = 21 et Z132 = 20, alors r = 31.8
58x21 r =-----------= 31,8
21-60x20
Exemple D
Si Z120 = 60, Z150 = 58, Z131 = 20 et Z132 = 18, alors r = 14.5
58x20 r =------------=14,5
58x20 — 60x18
Ainsi, comme le montrent bien les exemples ci-dessus, un tel système d’assistance permet d’offrir de très grands rapports de réduction.
Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 3 à 6, la denture 111 et les satellites 130 sont disposés de part et d’autre de l’axe autour duquel tourne l’organe moteur 201. Cela présente pour avantage de réduire l’encombrement axial du boîtier 10 de pédalier.
Selon un mode de réalisation alternatif, on peut prévoir que la denture 111 et les satellites 130 sont disposés d’un même côté de l’axe autour duquel tourne l’organe moteur 201.
On remarquera que, dans ce mode de réalisation, on peut augmenter le diamètre externe de l’arbre 11 sans réduire de manière préjudiciable le nombre de dents des différentes dentures des pignons 131. Cela permet de bénéficier d’un très bon rapport de réduction tout en permettant d’avoir un important diamètre externe d’arbre 11 du pédalier. Cela permet d’avoir un arbre 11 particulièrement rigide, ce qui est particulièrement apprécié pour avoir une bonne transmission des efforts fournis par le cycliste, et donc une transmission performante de l’effort de pédalage. Par ailleurs, en prévoyant un arbre 11 creux, comme illustré sur les figures, l’augmentation de diamètre ne sera pas pénalisante en termes de poids.
De plus, dans une variante non représentée, on peut prévoir que soit ménagée dans l’arbre creux 11, au droit des satellites, une gorge locale pour permettre le passage des différents pignons satellites, ceux-ci se trouvant, de ce fait, plus près de l’axe. Cette gorge étant très locale, elle n’affaiblit pas notablement la rigidité de l’axe. Au droit de cette gorge, le diamètre intérieur de l’arbre sera réduit mais, du fait de son caractère localisé, il est néanmoins possible de conserver des extrémités d’axe de gros diamètre, lesquelles sont particulièrement adaptées pour réaliser un encastrement de la manivelle robuste et léger. Une telle disposition des pignons satellites passant dans la gorge de l’axe 111 ne pose pas de problème particulier pour leur montage.
Sur ce type de train épicycloïdal, il est vivement conseillé de disposer des roulements à billes ou à aiguilles assez écartés axialement au niveau des pivots de satellites, en effet comme les deux couronnes 120 et 150 sont décalées axialement, les deux résultantes des dents génèrent un moment orthoradial qui sera d’autant mieux repris que les deux roulements seront éloignés, la solution adoptée représentée sur les figures 3 à 6 consiste à encastrer un axe assez long dans les pignons satellites et de disposer un roulement à billes à chacune de ses extrémités, permettant ainsi de minimiser les pertes par frottement dans les roulements liées notamment à la reprise de ce moment orthoradial et à la résultante des efforts de denture.
Avantageusement, ce type de réducteur comportant des satellites à double pignons, qu’ils soient au nombre de deux, trois ou quatre permet un très bon compromis entre le rapport de réduction et l’encombrement. De plus, comme l’entrée du réducteur se fait par le porte-satellite, il est possible d’avoir un arbre creux dont le diamètre intérieur est relativement important sur toute sa longueur, ou au moins dans la majeure partie de sa longueur et y compris dans ses portions d’extrémité. Au final, le diamètre externe du boîtier 10 est réduit. L’encombrement du système d’assistance électrique est ainsi réduit.
La diminution de l’encombrement permet de rapprocher le moyeu arrière de l’axe du pédalier, ce qui améliore très significativement la maniabilité du cycle. Le pilotage du cycle 1 est alors rendu plus performant. Par ailleurs, le boîtier 10 de pédalier présentant un encombrement réduit, le cycle 1 peut présenter une esthétique proche des cycles à propulsion uniquement musculaire.
Typiquement, le réducteur coaxial du système d’assistance selon la présente invention peut être logé dans un boîtier dont le diamètre externe est inférieur à 90 mm, de préférence inférieur à 80 mm, pour un rapport de réduction au moins égal à 8. On notera que cette valeur minimale du rapport de réduction correspond au rapport de réduction du train épicycloïdal uniquement et n’intègre pas le rapport de réduction du couple conique. On pourra envisager d’avoir un rapport de réduction atteignant la valeur de 50 sans dégrader de manière trop significative le rendement.
Dans le mode de réalisation décrit ici en exemple, le diamètre externe du boîtier de pédalier est environ égal à 75 mm et le rapport de réduction du train épicycloïdal pouvant être suivant les configurations choisies de 21 ou de 40 (cf. ci-dessus).
Un autre mode de réalisation va maintenant être décrit en référence aux figures 7 à 10.
Ce mode de réalisation diffère du mode de réalisation décrit en référence aux figures 3 à 6 principalement en ce que le dispositif de réduction 100 est entraîné par un organe moteur 201 qui tourne autour du même axe X que le dispositif de réduction 100. Ainsi, l’organe moteur 201, la couronne mobile 110, le porte-satellites 140, la pièce d’entraînement 150 et l’arbre 11 de pédalier tournent autour d’un même axe X.
De manière avantageuse, le dispositif de motorisation 100 comprend un moteur 200 également disposé de manière coaxiale à l’arbre 11 du pédalier. De préférence, le moteur 200 est logé à l’intérieur du boîtier 10 de pédalier. Par exemple, le moteur 200 comprend un carter 203, intégrant de préférence un stator, solidaire du boîtier 10 de pédalier. Comme illustré sur les figures, le carter 203 est fixé sur une paroi interne du boîtier 10.
La sortie du moteur 200 comprend l’organe moteur 201 qui engrène avec le train épicycloïdal du dispositif de réduction 100. Comme illustré sur la figure 7, l’organe moteur 201 peut être directement solidarisé au stator du moteur 200, voire peut être formé par le stator du moteur 200. Alternativement, l’organe moteur 201 peut être couplé à un stator du moteur par l’intermédiaire d’une ou plusieurs pièces, formant par exemple un réducteur.
L’organe moteur 201 porte une denture interne 204 configurée pour engrener avec une denture 111 externe, de préférence une denture droite, portée par la couronne mobile 110. La couronne mobile 110 est solidaire du porte-satellites 140.
Ainsi, dans cet exemple de réalisation comme dans celui-ci illustré sur les figures 3 à 6, l’entrée du réducteur se fait par le porte-satellites 140.
Le dispositif de réduction 100 étant identique à celui illustré sur les figures 3 à 6, le calcul du rapport de réduction r est identique à celui mentionné ci-dessus.
Dans ce mode de réalisation, comme dans le précédent, l’invention offre la possibilité d’avoir une cavité traversante, ici pour le passage de l’arbre 11 du pédalier, tout en permettant un faible encombrement radial et un fort rapport de réduction. Typiquement un tel dispositif de réduction permet de limiter le diamètre global à 100 mm tout en offrant un rapport de réduction élevé et donc un couple de sortie élevé.
Ainsi, dans ce mode de réalisation, le moteur 200 et l’organe mobile (ici l’arbre 11 du pédalier) sont coaxiaux. Le moteur 200, le dispositif de réduction 100 ainsi que l’axe des manivelles du pédalier et leurs roulements à billes peuvent être intégrés dans une cartouche tubulaire. Cela permet de réduire fortement l’encombrement tout en offrant un couple d’assistance élevé.
Les autres caractéristiques et avantages techniques mentionnés en référence au mode de réalisation illustré sur les figures 3 à 6 sont pleinement applicables et combinables au mode de réalisation illustré sur les figures 7 à 10 et à tous les autres modes de réalisation, non illustrés sur les figures et dans lesquels le moteur est coaxial à l’arbre 11 du pédalier. Il en est notamment ainsi pour l’ensemble des pièces du dispositif de réduction et en particulier pour les satellites 130 à pignons double 131,132.
La présente invention s’applique également aux modes de réalisation dans lesquels l’organe mobile n’est pas un arbre 11 de pédalier mais un moyeu 6 de roue 5.
La figure 11 illustre un tel exemple. Dans cet exemple, le dispositif de réduction est associé à un moyeu 6 de roue 5 arrière. Naturellement, l’invention s’applique également à l’intégration d’un dispositif de réduction dans un moyeu de roue avant du cycle.
Le moyeu 6 de la roue 5 est monté en rotation autour de l’axe 7. Des rayons et une jante de roue 5, non illustrés, sont solidaires du moyeu 6. De manière classique, cette roue 5 arrière comprend également un corps de roue libre 330 sur laquelle est fixée une cassette de plusieurs pignons qui sont destinés à être entraînés en rotation par le pédalier via une chaîne. Egalement de manière classique, un dispositif de roue libre 340, par exemple à rochets permet au moyeu 6 de tourner alors que la cassette 330 n’est pas entraînée par la rotation par le pédalier.
L’axe 7 de la roue 5 est destiné à être rendu solidaire du cadre du cycle en phase de roulage. De manière classique, l’axe 7 de la roue forme un tube creux destiné à être traversé par une broche ou un tirant de blocage rapide de la roue (non illustré sur la figure 11). La broche ou le tirant de blocage coopère avec chaque base 4 pour assurer une solidarisation de l’axe 7 sur le cadre du cycle. Ce type de montage est par exemple décrit dans le document FR 3037919 cité préalablement, et il permet de retirer la roue très rapidement du cadre pour transporter son vélo dans un coffre ou pour réparer une crevaison. Ce type de montage n’est pas envisageable avec des réducteurs tels que décrits dans le document CN106697170 comportant un arbre en 2 parties et serait extrêmement limitant en terme de réduction dans le mode de réalisation décrit dans le document CN203416066 du fait de l’augmentation de diamètre de l’arbre central et donc du diamètre primitif du pignon solaire.
Dans le mode de réalisation illustré en figure 11, le dispositif de motorisation comprend un moteur 200 présentant une partie fixe, comprenant typiquement un carter 203 ou et/ou un stator. Cette partie fixe est solidaire de l’axe 7 de la roue 5 qui s’étend selon l’axe X. L’ensemble du moteur 200 est logé à l’intérieur du moyeu 6.
Le moyeu 6 comprend un corps 61 formant un manchon à l’intérieur duquel se loge le moteur 200 et le dispositif de réduction 100. Le moyeu 6 comprend également un flasque 62 qui se fixe sur le corps 61 et qui présente une ouverture pour le passage de l’axe 7 de la roue
5. Le flasque 62 et le corps 61 sont montés en rotation sur l’arbre par des roulements 301, 304, typiquement des roulements à billes.
Comme dans le mode de réalisation illustré en référence aux figures 7 à 10, le moteur 200 est coaxial à l’organe mobile (ici le moyeu 6). Le moteur 200 est également coaxial au dispositif de réduction 100. Comme dans le mode de réalisation illustré en référence aux figures 7 à 10, l’organe moteur 201 porte une denture 204 conformée pour coopérer avec une denture 111 portée par la couronne mobile 110. Dans cet exemple, la denture 204 est une denture interne droite et la denture 111 est une denture externe droite.
La couronne mobile 110 est solidaire du porte-satellites 140 ou forme ce dernier. Le porte-satellites 140 est monté en rotation autour de l’axe 7 de la roue par l’intermédiaire de roulements 302, 305. Le porte-satellites 140 porte les arbres 141 de rotation des satellites 130. Sur l’exemple illustré, les arbres 141 sont montés en rotation libre, par l’intermédiaire de roulements 306, sur le porte-satellites 140.
Chaque satellite 130 présente deux pignons. Comme pour les modes de réalisation précédents les pignons sont adjacents, on peut ainsi qualifier ces satellites de satellites jumeaux.
Un premier pignon 131 de chaque satellite engrène avec une denture 121 portée par une couronne fixe 120. La couronne fixe 120 est solidaire, au moins lorsque le moteur 200 est activé, de l’axe 7 de la roue 5. De préférence, la denture 121 est une denture interne droite.
Un deuxième pignon 132 de chaque satellite engrène avec une denture 151 portée par une pièce d’entraînement 150. La pièce d’entraînement 150 est solidaire, au moins lorsque le moteur 200 est activé, du moyeu 6 de la roue 5. De préférence, la denture 151 est une denture interne droite.
Cette pièce d’entraînement 150 est par exemple rendue solidaire du corps 61 du moyeu par l’intermédiaire d’un organe de blocage en rotation, tel qu’une clavette ou des cannelures. Alternativement, On peut prévoir de former la pièce d’entraînement 150 et le corps 61 du moyeu 6 dans une même pièce, par exemple obtenue par moulage ou par injection.
Dans ce mode de réalisation, comme dans les deux modes illustrés sur les figures 3 à 7, le dispositif de réduction permet de libérer une cavité ou un passage interne, ici pour l’axe 7 de la roue et pour une broche ou un tirant de blocage de la roue, ceci sans pénaliser le rapport de réduction.
La solution est alors particulièrement avantageuse par rapport aux solutions dans lesquelles on prévoirait un réducteur coaxial à l’axe de la roue mais dont l’entrée se ferait par un pignon solaire. Le diamètre de ce dernier étant inévitablement petit afin d’avoir un rapport de réduction satisfaisant, cette solution exclurait la possibilité d’avoir un axe traversant ce qui représenterait une contrainte forte en termes de facilité d’utilisation lors du changement de roue, de rigidité du cycle et de précision du pilotage.
Contrairement aux deux modes de réalisation illustrés sur les figures 3 à 7, dans le mode de réalisation illustré sur la figure 11, l’axe traversant la cavité est fixe puisqu’il s’agit d’un axe 7 de roue 5, alors que dans les deux modes de réalisation illustrés sur les figures 3 à 7, l’axe traversant le dispositif de réduction 100 est mobile puisqu’il s’agit de l’arbre 11 du pédalier.
Les autres caractéristiques et avantages techniques mentionnés en référence aux modes de réalisation illustrés sur les figures 3 à 10 sont pleinement applicables et combinables au mode de réalisation illustré sur la figure 11 et à tous les autres modes de réalisation, non illustrés sur la figure 11 et dans lesquels le moteur est coaxial à l’axe d’une roue avant ou arrière et entraîne le moyeu 6. Il en est notamment ainsi pour l’ensemble des pièces du dispositif de réduction et en particulier pour les satellites 130 à pignons double 131,132.
Dans chacun des modes de réalisation décrits précédemment et couverts par la présente invention, il est possible de recourir à des matériaux légers pour former les différents engrenages. En effet, les efforts à transmettre, en particulier entre l’organe moteur 201 et la couronne mobile 110, sont considérablement réduits par rapport aux solutions de l’art antérieur ne comprenant pas de train épicycloïdal coaxial avec l’organe mobile (moyeu de roue ou arbre de pédalier). Grâce à l’invention, on pourra par exemple choisir des matériaux thermoplastiques. Cela permet d’alléger considérablement le système d’assistance électrique. Par ailleurs cela permet de former les engrenages, non pas par usinage mais par d’autres techniques, par exemple par injection ou par moulage, bien moins coûteuses.
En outre, l’utilisation de ces matériaux permet de réduire fortement le bruit et donc le confort de l’utilisateur.
On pourra par exemple recourir à des matériaux thermoplastiques tels que le PEEK (polyétheréthercétone) ou le PBT (polytéréphtalate de butylène) et réaliser les couronnes en bi-matière en réalisant par exemple une cloche en alliage d’aluminium et une denture injectée en thermoplastique adapté aux conditions de frottements des engrenages.
Dans chacun des modes de réalisations précédemment décrits, on pourra prévoir au moins un dispositif de roue libre 160 permettant à l’utilisateur de pédaler sans entraîner le moteur 200, ce qui peut être le cas lorsque le cycliste décide de désactiver le système d’assistance électrique ou lorsque le cycle 1 dépasse un seuil prédéfini de vitesse. Par exemple, au moins une roue libre peut être disposée au niveau de l’une des pièces suivantes : entre l’organe mobile (arbre 11 de pédalier du moyeu 6 de roue 5 avant ou arrière) et la pièce d’entraînement 150. Ce mode de réalisation correspond à ceux illustrés en figures 3 à 6 et 7 à 10. La roue libre 160 est configurée de manière à ce que lorsque le moteur 200 est activé, la pièce d’entraînement 150 entraîne l’arbre 11 en rotation. En revanche, lorsque le cycliste souhaite désactiver le moteur ou lorsque la vitesse du cycle dépasse un seuil prédéterminé, la rotation de l’arbre 11 n’entraîne pas la rotation de la pièce 150.
Entre la couronne fixe 120 et le boîtier 10 ou l’axe 7 de la roue.
Dans la couronne mobile 110 ou dans le porte-satellites 140 : on peut par exemple prévoir que l’une de ces pièces comporte deux parties rendues solidaires par la roue libre dans un premier sens de rotation et rendue libre en rotation dans un second sens de rotation opposé au premier.
Dans l’organe moteur 201 ou entre l’organe moteur 201 et le moteur 200.
Ainsi, comme cela ressort clairement de la description qui précède, l’invention propose une solution particulièrement efficace pour augmenter fortement le couple disponible sur un organe mobile, que ce dernier soit un arbre de pédalier ou le moyeu d’une roue arrière ou avant, tout en présentant un encombrement et une masse limités.
Le dispositif de réduction comprenant le train épicycloïdal peut aisément assurer une réduction de vitesse de facteur compris entre 10 et 100 ou entre 20 et 200. Il peut comprendre un seul train épicycloïdal, comme illustré sur les figures décrites ci-dessus.
Néanmoins, de nombreuses variantes, couvertes par les revendications, peuvent être envisagées.
Dans un autre mode de réalisation les engrenages pourraient être remplacées par des couronnes en acier précontraintes radialement permettant de transmettre l’effort tangent uniquement par adhérence, l’axe des pignons satellites reposeraient alors sur le diamètre extérieur de deux bagues tournant librement autour de l’axe central et disposées de chaque côté des pignons jumeaux afin de pré-charger radialement les pignons satellites contre les couronnes par une déformation radiale de ces bagues pour assurer un effort radial suffisant et éviter tout glissement même au couple maximum requis.
Par exemple, on pourra prévoir un mode de réalisation comportant plusieurs étages de train épicycloïdal montés en série en ayant au moins un des étages dont l’entrée est le portesatellites. Le rapport de réduction global d’un tel train est le produit du rapport de réduction de chacun des deux étages.
De préférence, lorsque le moteur est coaxial à l’organe mobile, on peut prévoir un moteur à rotor cloche. Ce type de moteur permet généralement de délivrer des couples élevés à vitesse assez réduite car pouvant comporter de nombreux pôles. Cela est favorable sur le plan du rendement mécanique car le rapport de réduction n’a alors pas besoin d’être trop élevé.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par les revendications.
REFERENCES
1. Cycle
2. Tube de selle
3. Tube oblique
4. Base
5. Roue
6. Moyeu
61. Corps
62. Flasque
7. Axe de roue
10. Boîtier de pédalier
11. Arbre de pédalier
11a. Portion
11b. Portion de section externe réduite
11c. Portion
11d. Gorge
11e. Epaulement
12a. Corps externe
12b. Corps interne
13. Capot
14. Méplat
15. Passage
16. Ouverture
100. Dispositif de réduction
110. Couronne mobile
111. Dents coniques
113. Pignon solaire
120. Couronne fixe
121. Denture interne
130. Satellite
131. Pignon de satellite
132. Pignon de satellite
140. Porte-satellites
141. Arbre de satellite
142. Logement pour satellite
150. Pièce d’entraînement
151. Denture interne
160. Roue libre
200. Moteur
201. Organe moteur
202. Pignon conique
203. Carter
204. Denture
301. Roulements
302. Roulements
304. Roulements
305. Roulements
306. Roulements
310. Anneau élastique
320. Trous pour vis
321. Alésage filetés
322. Entretoise
330. Cassette
340. Roue libre

Claims (22)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système d’assistance électrique pour cycle (1) à assistance électrique, comprenant un dispositif de réduction (100) comprenant :
    une entrée configurée pour recevoir un effort généré par un dispositif de motorisation électrique du cycle (1), une sortie configurée pour entraîner en rotation un organe mobile du cycle (1) pris parmi un arbre (11) de pédalier du cycle (1) et un moyeu (6) de roue du cycle (1), caractérisé en ce que le dispositif de réduction (100) comprend au moins un train épicycloïdal comprenant :
    au moins un porte-satellites (140) configuré pour être entraîné par ledit dispositif de motorisation, au moins un jeu d’au moins deux satellites (130), chaque satellite (130) du jeu étant monté en rotation sur le porte-satellites (140) et comprenant au moins un premier et un deuxième pignons (131, 132), au moins une couronne fixe (120) solidaire d’un cadre du cycle (1), au moins lorsque le dispositif de motorisation est activé, la couronne fixe (120) étant configurée pour engrener avec le premier pignon (131) de chaque satellite (130), au moins une pièce d’entraînement (150), portant une denture configurée pour engrener avec le deuxième pignon (132) de chaque satellite (130) et configurée pour être entraînée en rotation par les satellites (130) et pour entraîner en rotation ledit organe mobile au moins lorsque le dispositif de motorisation est activé.
  2. 2. Système selon la revendication précédente, dans lequel le porte-satellites (140), la pièce d’entraînement (150) et l’organe mobile tournent autour d’un même axe (X) et dans lequel la couronne fixe (120) présente une denture centrée sur ledit axe (X).
  3. 3. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le premier pignon (131) et le deuxième pignon (132) d’un même satellite (130) présentent un diamètre primitif D131 et D132 tel que D131 = ki * D132, avec 1 < ki < 1.7, de préférence 1 < ki < 1.3, de préférence 1 < ki < 1.2 et de préférence 1 < ki < 1.1 et de préférence 1 < ki < 1.07.
  4. 4. Système selon la revendication précédente dans lequel le nombre de dents du premier pignon (131) et le deuxième pignon (132) d’un même satellite (130) est identique.
  5. 5. Système selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le premier pignon (131) et le deuxième pignon (132) d’un même satellite (130) présentent un nombre de dents Z131 et ΖΊ32 tel que Z131 = k2 * Zi32, avec 1 < k2 < 1.7, de préférence 1 < k2 < 1.3, de préférence 1 < k2 < 1.2 et de préférence 1 < k2 < 1.1 et de préférence 1 < k2< 1.07.
  6. 6. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit organe mobile est un arbre (11) de pédalier et, de préférence, la couronne fixe (120) est portée par un boîtier (10) du pédalier.
  7. 7. Système selon la revendication précédente, dans lequel ledit porte-satellites (140) est solidaire en rotation, au moins lorsque le dispositif de motorisation est activé, d’une couronne mobile (110) configurée pour engrener avec un organe moteur (201 ) du dispositif de motorisation, l’organe moteur (201) tournant autour d’un axe (Z) perpendiculaire à l’axe (X) de rotation de l’organe mobile.
  8. 8. Système selon la revendication précédente, dans lequel la couronne mobile (110) présente une denture (111) conique complémentaire d’un pignon conique (202) formé par l’organe moteur (201).
  9. 9. Système selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, comprenant le dispositif de motorisation, le dispositif de motorisation comprenant un moteur (200) logé dans une partie d’un cadre du cycle (1), ladite partie étant prise parmi:
    un tube de selle (2), un tube oblique (3) s’étendant depuis un boîtier (10) du pédalier, un tube de base reliant un boîtier (10) du pédalier à un moyeu (6) d’une roue (5) arrière.
  10. 10. Système selon l’une quelconque des trois revendications précédentes, dans lequel ledit organe moteur (201) entraîné en rotation par le moteur (200) électrique est un pignon conique (202).
  11. 11. Système selon l’une quelconque des quatre revendications précédentes, dans lequel la couronne mobile (110) et les satellites (130) sont disposés de part et d’autre d’une direction autour de laquelle tourne ledit organe moteur (201).
  12. 12. Système selon l’une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel la couronne mobile (110) est axialement disposée entre une direction autour de laquelle tournent ledit organe moteur (201) et les satellites (130).
  13. 13. Système selon la revendication 4, comprenant le dispositif de motorisation, le dispositif de motorisation comprenant un moteur (200) présentant une sortie tournant autour du même axe (X) que le pédalier.
  14. 14. Système selon la revendication 4, dans lequel le moteur (200) est logé à l’intérieur d’un boîtier (10) du pédalier.
  15. 15. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ledit organe mobile est un moyeu (6) d’une roue du cycle (1) et, de préférence, ladite couronne fixe (120) est solidaire, au moins lorsque le dispositif de motorisation est activé, d’un axe (7) de la roue (5).
  16. 16. Système selon la revendication précédente, comprenant le dispositif de motorisation, le dispositif de motorisation comprenant un moteur (200) présentant une sortie tournant autour d’un même axe (X) que le moyeu (6).
  17. 17. Système selon la revendication précédente dans lequel le moteur (200) est logé à l’intérieur du moyeu (6).
  18. 18. Système selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel le moteur (200) est configuré pour être solidaire de l’axe (7) de la roue (5).
  19. 19. Système selon l’une quelconque des quatre revendications précédentes comprenant la roue (5).
  20. 20. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de réduction (100) comprend au moins un dispositif de roue libre (160) configuré pour permettre une rotation de l’organe mobile (11,7) indépendamment de la rotation d’un moteur (200) du dispositif de motorisation.
  21. 21. Système selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif de roue libre (160) est situé à l’un au moins des emplacements suivants :
    sur le porte-satellites (140), entre le porte-satellites (140) et le dispositif de motorisation, sur la couronne fixe (120), entre l’organe mobile (201 ) et ladite pièce d’entraînement (150) du pédalier.
  22. 22. Cycle (1) à assistance électrique comprenant un système selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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