FR3088297A1 - Dispositif de transmission a assistance electrique pour velo et velo a assistance electrique equipe dudit dispositif - Google Patents

Abstract

L'invention concerne en particulier un dispositif de transmission à assistance électrique comprenant - un pédalier comportant une roue dentée le coaxiale appelée communément plateau, - un moteur électrique Om avec un pignon 2m fixé coaxialement sur l'arbre de sortie du rotor dudit moteur, - un arbre à engrenages comprenant deux pignons dentés 4c et 4r et une roue dentée 4m, - une roue libre équipant ledit pignon 4c ou le plateau 1c, - une batterie, - un système de contrôle dudit moteur électrique. Ledit pignon 4c engrène avec le plateau 1c. Ladite roue dentée 4m engrène avec le pignon 2m. Ainsi ledit arbre à engrenages reçoit la puissance de pédalage et celle du moteur et les transmet toutes deux à la jante de la roue de vélo motrice par un engrènement dudit pignon 4r sur une denture 5r solidaire de ladite jante. Ainsi ledit dispositif offre aussi un grand rapport de démultiplication du pignon moteur 2m à la roue de vélo motrice. Il peut procurer ainsi un niveau d'assistance électrique suffisant pour se passer de changement de vitesses tout en permettant une forte miniaturisation du moteur. Ledit moteur Om, en prise permanente avec la roue de vélo motrice, peut faire office de frein régénératif.

Description

Titre de l’invention : Dispositif de transmission à assistance électrique pour vélo et vélo à assistance électrique équipé dudit dispositif

La présente invention concerne les dispositifs de transmission de vélos à assistance électrique et les vélos à assistance électrique équipés de tels dispositifs.

Dans ce domaine, comme la plupart des vélos, la plupart des vélos à assistance électrique transmettent la puissance du pédalage à la roue arrière via un pédalier, une chaîne et une cassette de pignons qui est solidaire de la roue de vélo motrice en phase de pédalage moteur. La chaîne est déplacée latéralement d’un pignon à un autre par un dérailleur pour adapter le rapport de vitesses, appelé communément braquet. La cassette de pignons est généralement montée sur une roue libre qui permet à la roue de vélo motrice de continuer à tourner librement lorsque le cycliste ne pédale plus suffisamment fort pour l’entraîner. Pour freiner, la plupart de ces vélos ont chacune de leurs roues équipée d'un frein à disque ou à patins sur jante. Le dérailleur et les freins sont généralement commandés par des manettes au guidon via des câbles.

Ce sont des solutions techniques relativement simples, légères et peu coûteuses.

Cependant, elles ont des défauts. La chaîne est susceptible de souiller les vêtements du cycliste. Elle est également sujette au déraillement voire même à la rupture. H y a aussi une légère perte de puissance motrice due surtout aux frottements de la chaîne accentués par les détours de cette dernière entre les deux galets du dérailleur et par un léger désaxage du brin tendu. En effet, la plupart du temps, la chaîne est tirée légèrement de travers car un seul pignon est à peu près aligné avec le plateau entraînant la chaîne. Ce qui engendre en outre des contraintes parasites aux extrémités du brin tendu de la chaîne. Enfin, comme le dérailleur dépasse du cadre de quelques centimètres latéralement et d'une dizaine de centimètres sous l'axe de la roue arrière, il est relativement exposé et fragile.

Bien que la plupart des vélos à assistance électrique aient en commun cette transmission primaire à chaîne, ils ne sont pas tous du même type. Ils peuvent être divisés en trois catégories, selon l'emplacement du moteur. Cela fait trois types de modes de propulsion électrique que nous noterons de la manière suivante :

- moteur périphérique,

- moteur au pédalier,

- moteur dans le moyeu de roue.

Pour alléger les explications nous les appelons tous “moteurs” bien que certains soient des motoréducteurs.

Concernant les moteurs périphériques, ils entraînent une roue du vélo en rotation par l'intermédiaire d'un galet solidaire du rotor et appuyé contre le pneu ou parfois contre la jante. Cet entraînement se fait généralement par friction. Dans le cas d'un entraînement direct de la jante, la propulsion est généralement obtenue par deux moteurs dont les galets respectifs sont appuyés contre chacun des flancs de la jante, de manière symétrique par rapport au plan médian de la roue. Dans les deux cas, la force motrice est appliquée tangentiellement près de la périphérie de la roue. C'est pourquoi ce type de transmission est qualifié de périphérique. Or, plus la zone d'application de la force motrice est proche de l’axe du moteur moins il a de couple à fournir. Ainsi, comme le galet des « moteurs sur pneu » a généralement un rayon d'environ 2 centimètres, pour une même puissance au sol, il nécessite nettement moins de couple que les deux autres types de moteurs qui entraînent la roue arrière depuis le moyeu central, généralement à plus de 30 cm de la périphérie. Or la taille d'un moteur dépend grandement de son couple. Aussi il n'est pas surprenant que les “moteurs périphériques soient les plus légers du marché des vélos à assistance électrique. Ils sont environ cinq fois plus légers que les moteurs au pédalier et environ six fois plus légers que les moteurs dans le moyeu de roue. C'est un avantage considérable pour les “moteurs périphériques. D'autant plus que le poids est souvent considéré comme l'inconvénient numéro un des vélos à assistance électrique. Pourtant, les “moteurs périphériques sont très minoritaires sur ce marché. Ils pâtissent vraisemblablement de déperditions inhérentes à l'entraînement par friction, surtout sur le mouillé. En outre, à la longue, les moteurs sur pneu endommagent la surface du pneu entraîné.

Un nouveau type de moteur sur pneu, proposé par le document FR2998858A1, vise à remédier à ces déperditions. Son pignon moteur dispose d'une denture qui engrène sur une denture solidaire du pneu. Cependant, le rendement et la puissance transmissible restent vraisemblablement relativement limités à causes des déformations inhérentes à l’engrènement sur du caoutchouc, même renforcé spécifiquement. De plus cette invention impose le montage d'un porte-bagages servant de bâti. Ce qui peut être un appendice indésirable pour certains usages comme le vélo tout terrain.

Les documents DE102012022352A1 et EP2855250B1 décrivent tous deux un principe d'entraînement excentrique positif par un moteur électrique dont le pignon de sortie engrène respectivement soit sur une denture soit sur une succession de paliers, tous deux solidaires de la jante avant du vélo. Ils procurent ainsi les avantages d'une transmission excentrique positive décrite dans ledit document FR2998858A1 sans les inconvénients de l’entraînement sur caoutchouc. L'invention du document EP2855250B1 semble la plus avantageuse des deux car son engrènement sur une succession de paliers permet de réduire au maximum les frottements. Ce qui maximise le rendement. De surcroît, les espaces entre les paliers semblent moins susceptibles de retenir la saleté que les creux d'une denture classique.

Concernant les moteurs au pédalier, ce sont généralement des motoréducteurs couplés au pédalier. Nous avons vu que ce type de “Moteur au pédalier” présente en premier lieu un problème de surpoids. De plus, la chaîne transmet la puissance supplémentaire du moteur. D'où une augmentation des contraintes dans ladite chaîne. Ce qui accroît ledit risque de rupture et diminue sensiblement la durée de vie de la chaîne. De plus, à cet emplacement, le moteur ne peut généralement pas être utilisé comme frein régénératif. En effet, comme la roue libre est généralement au moyeu central de la roue arrière elle empêche tout ralentissement de la roue par la chaîne. Ce qui prive ce type d'assistance non seulement d'un supplément d'autonomie procuré par l'électricité récupérée par régénération mais aussi de la possibilité d’économiser les freins.

Quant aux moteurs dans le moyeu de roue, comme vu ci-dessus, ils sont encore plus lourds. En effet, en prise directe avec une roue du vélo, ils ne bénéficient pas de la démultiplication des petits braquets. De plus, leur centre de gravité est sensiblement au centre d'une roue. Or c'est à cet endroit que tout surpoids altère le plus l'agrément d'utilisation, plus particulièrement dans la roue avant. Pour limiter ce désagrément, la batterie est le plus souvent fixée au cadre. Mais les connections entre le moteur et la batterie compliquent alors le démontage et le remontage de la roue de vélo motrice. Par contre un tel “moteur” a pour avantage de ne pas être tributaire de la chaîne pour la transmission de sa puissance. Ce qui épargne à cette dernière toute contrainte supplémentaire. En outre, certains pourraient être utilisés comme frein électromoteur régénératif. Mais c'est rarement mis en œuvre. Car cela implique généralement une résistance inertielle conséquente lorsque le vélo est en roue libre.

Concernant les trois types de moteurs ci-dessus, rappelons que les vélos qu'ils équipent pâtissent généralement aussi desdits problèmes inhérents à la transmission par chaîne.

Aussi, la transmission de vélo décrite dans le document US8414006B2 semble être une alternative intéressante qui couple directement le pédalier à la jante de la roue arrière par l'intermédiaire d'une succession d'engrenages. Mais, bien que ce document propose une version motorisée de l'invention en question, il ne propose pas à proprement parler une assistance électrique de vélo puisqu'il impose un choix exclusif entre le pédalier et un moteur. De plus la transmission décrite est en fait plus complexe que les transmissions à chaîne. Elle comporte en effet un grand nombre de petits composants, de guidages et d’engrènements. Beaucoup de ces composants sont destinés aux changements de vitesses. Leur miniaturisation est grandement due au logement de l'ensemble de la transmission dans un espace exigu à l'intérieur du cadre. La complexité de cette transmission et sa miniaturisation ne peuvent qu'être préjudiciables au rendement, à la fiabilité et au coût.

Compte tenu des inconvénients apparemment inhérents au système de changements de vitesses, il serait vraisemblablement avantageux de s'en passer complètement grâce à l’assistance électrique. De ce point de vue, le document US20110181014A1 offre des perspectives intéressantes. En effet, il décrit notamment un vélo à assistance électrique mono-vitesse avec un pédalier et un moteur tous deux couplés directement à la jante de la roue avant. Cependant, il reste des axes d'amélioration. En effet, avec un pédalier dans la roue avant, le véhicule obtenu est limité à des mini vélos urbains, de moindre polyvalence et vraisemblablement moins sûrs que la plupart des vélos à assistance électrique. En effet le pédalier dans la roue avant limite la capacité à soulever la roue avant pour franchir des obstacles. Et leur faible longueur limite forcément la stabilité et la protection du cycliste en cas de choc frontal. De plus, la seule façon envisagée d'approcher le moteur et le pédalier de la jante est de les loger dans une roue sans rayons. Ce qui restreint le champ des applications.

L'invention a pour objet principal de proposer un dispositif de transmission à assistance électrique ainsi qu'un vélo équipé dudit dispositif qui remédie à tout ou partie des inconvénients mis en évidence ci-dessus.

L'invention propose pour cela un dispositif de transmission à assi stance électrique pour vélo, ledit dispositif comprenant :

- un pédalier, en liaison pivot avec le cadre 0, entraîné en rotation par la force motrice de pédalage et comportant une roue dentée le fixée de manière sensiblement coaxiale, appelée communément plateau,

- un moteur électrique 0m dont le stator est solidaire du cadre 0 et dont l'arbre de sortie du rotor est muni d'un pignon 2m fixé coaxialement,

- un arbre à engrenages, en liaison pivot avec le cadre 0 et comprenant un premier pignon 4c, une roue dentée 4m et un deuxième pignon 4r, montés tous trois de manière sensiblement coaxiale,

- une roue libre qui est verrouillée si le pédalier est actionné par une force de pédalage apte à faire avancer le vélo, déverrouillée sinon,

- une batterie pour alimenter le moteur électrique,

- un système de contrôle dudit moteur électrique comportant notamment un capteur de pédalage pour indexer le contrôle du moteur principalement sur le pédalage.

Ledit dispositif de transmission à assistance électrique est caractérisé en ce que:

- le et 4c sont en contact par l'intermédiaire de leurs dentures respectives qui sont complémentaires, de sorte qu'ils forment ensemble un engrenage que nous noterons lc/4c ;

- 2m et 4m sont en contact par l'intermédiaire de leurs dentures respectives qui sont complémentaires, de sorte qu'ils forment ensemble un deuxième engrenage que nous noterons 2m/4m ;

- le deuxième pignon 4r comporte une denture destinée à engrener tangentiellement avec une denture 5r complémentaire solidaire de la jante de l'une des deux roues du vélo.

Ainsi, lorsque ladite roue libre est verrouillée, ledit arbre à engrenages est entraîné en rotation à la fois par l'engrenage lc/4c et par l'engrenage 2m/4m. En effet, comme le pédalage est moteur, le moteur 0m est activé positivement par le système de contrôle. Ainsi ledit arbre à engrenages reçoit les puissances motrices du pédalage et du moteur 0m. Et ledit arbre à engrenages transmet à son tour la combinaison de ces deux puissances directement à la roue de vélo motrice par l'engrènement tangentiel du deuxième pignon 4r sur la denture 5r. Ce qui entraîne la roue de vélo motrice en rotation. Nous noterons ce dernier engrenage 4r/5r.

Ledit dispositif de transmission à assistance électrique est caractérisé en ce qu'il se substitue à tout dispositif de transmission via le moyeu central de la roue arrière. Il se substitue en particulier à la transmission par chaîne du pédalier à la roue arrière.

Le rapport de démultiplication du pédalier à la roue de vélo motrice, est défini par l'expression suivante : (D4c/Dlc)(D5r/D4r) où D4c, Dlc, D5r et D4r sont les diamètres nominaux des dentures respectives de 4c, le, 5r et 4r.

Le rapport de démultiplication du moteur à la roue de vélo motrice est défini par l'expression suivante : (D4m/D2m)(D5r/D4r) où D4m, D2m, D5r et D4r sont les diamètres nominaux des dentures respectives de 4m, 2m, 5r et 4r.

Or chacun de ces diamètres nominaux est sensiblement constant. Donc le rapport de démultiplication du moteur à la roue de vélo motrice et le braquet sont aussi constants. Ce qui fait de l'invention un vélo à assistance électrique intégralement mono-vitesse. Néanmoins l'invention a pour objet de procurer un bon niveau de polyvalence, permettant en particulier des démarrages en côte aisés, tout en allégeant le vélo à assistance électrique. Tout cela est rendu possible par la démultiplication du moteur à la roue de vélo motrice qui peut être très forte.

En effet, ledit dispositif de transmission à assistance électrique est aussi caractérisé en ce que le diamètre nominal de la denture 5r fait plus de 80% du diamètre périphérique de ladite jante, et le diamètre nominal du premier pignon 4c est plus petit que celui du deuxième pignon 4r qui est quant à lui plus petit que celui de la roue dentée 4m. Ainsi le rapport de démultiplication du moteur à la roue de vélo motrice peut facilement être de l'ordre de 100, avec par exemple : D2m=14 mm, D4m=220 mm, D4r=100 mm et D5r= 640 mm. Ce qui est environ 27 fois la plus grande démultiplication des vélos tout terrain à moteur au pédalier du commerce actuels.

Avec une telle réduction, un couple moteur d'environ 0,8 Nm suffit largement pour faire gravir à lui seul à un équipage de 90 kg une pente à 15%. Or il existe des moteurs électriques de moins 200 g avec un couple nominal de ce niveau. Et ce, même dans le cadre de la législation européenne actuelle qui limite la puissance nominale des vélos à assistance électrique à 250 W.

Ainsi, que ce soit avec un moteur du commerce ou avec un moteur spécifique, l'invention peut effectivement palier à l'absence de changements de braquets tout en procurant un net allègement, au moins par rapport aux moteurs au pédalier. En outre, cet allègement va de pair avec une miniaturisation et une réduction du moment d'inertie.

De surcroît beaucoup de moteurs compatibles en termes de couple avec l'invention ont une puissance massique très élevée. Par exemple, l'un de ces moteurs a une puissance maximale de plus de 1300 W et pèse moins de 200 g. Un autre dépasse même les 2800 W pour moins de 600 g. Par comparaison, la puissance maximale des vélos à assistance électrique en Europe dépasse rarement 800 W. Pour ce qui est de la masse, les « moteurs au pédalier » font environ 3,5 kg et les « moteurs périphériques » du commerce font environ 500 g. Ainsi l'invention ouvre des perspectives inédites en termes de rapport poids/puissance pour des vélos à assistance électrique très rapides et particulièrement légers.

Pour les versions les plus puissantes de l'invention, montrons à titre indicatif que la puissance transmissible est suffisante. Pour cela nous allons montrer que la transmission de l'invention, de type excentrique, maximise intrinsèquement la puissance transmissible en minimisant la force motrice à exercer. Pour cela, comparons ladite transmission à la chaîne d'un vélo de compétition sur piste. Sur les vélos de piste, le pignon de roue arrière a un rayon généralement inférieur à 4 cm. Or le rayon de la jante est d'environ 32 cm. Ainsi, à puissance effective égale, la force à exercer tangentiellement sur la jante est approximativement 8 (32/4) fois plus petite que celle de la chaîne sur le pignon. Ainsi, quand bien même l'engrènement sur la denture 5r solidaire de la jante de l'invention aurait une résistance 5 fois inférieure à celle de la chaîne (dans le cas de matériaux relativement fragiles ou d'une petite surface d'engrènement), la puissance transmissible de l'invention resterait approximativement 1,6 fois supérieure à celle de la chaîne. Or dans cette discipline la chaîne peut transmettre des puissances supérieures à 2000 W. D'où une puissance transmissible d'au moins 3200 W pour l'engrenage 4r/5r. Or 4r/5r transmet la puissance combinée du pédalage et du moteur. Pour ce qui est de la puissance de pédalage transmise par lc/4c, 1000 W est un extremum vraisemblable pour les usages envisageables. Aussi la puissance du moteur transmise par 2m/4m ne doit guère dépasser 2200 W pour respecter la puissance transmissible par 4r/5r. Ce qui paraît de toute manière également préférable en termes de sécurité. Il semble bien, en fin de compte, que la puissance transmissible de l'invention soit à la hauteur de puissances hors nonne dans le domaine du vélo à assistance électrique. Bien sûr un moteur aussi puissant nécessiterait des dispositions particulières pour s'assurer que la liaison pivot de l'arbre à engrenages résiste aussi. Il serait notamment particulièrement judicieux dans ce cas de disposer les engrenages de manière à minimiser les contraintes dans ladite liaison pivot.

Pour les versions les plus puissantes, montrons aussi à titre indicatif que l'invention peut procurer un braquet de pédalage adapté à de grandes vitesses. Pour cela, complétons la configuration précédente, où D4r=100 mm et D5r= 640 mm, avec par exemple D4c=14 mm et Dlc=340 mm (diamètres nominaux de 4c et le). Cette configuration permet d'atteindre 51km/h avec une fréquence de pédalage de 110 t/mn, qui est pour beaucoup un rythme de croisière. Ce qui autorise des pointes au-delà de 60 km/h. Ainsi l'invention offre bien la possibilité d'avoir un braquet de pédalage à la hauteur de la grande puissance qu'elle peut procurer.

Ledit dispositif de transmission à assistance électrique est aussi caractérisé en ce que ladite roue libre équipe de manière coaxiale soit ledit premier pignon 4c soit ledit plateau le. Ainsi, lorsque ladite roue libre se déverrouille, elle autorise, selon son emplacement, soit une rotation du premier pignon 4c par rapport au reste dudit arbre à engrenages, soit une rotation du plateau le par rapport au reste dudit pédalier. Ce qui permet dans les deux cas, d'une part à la rotation de la roue de vélo motrice de se poursuivre indépendamment de celle du pédalier, comme sur la plupart des vélos modernes, d'autre part au pignon 2m de rester entraîné en rotation par la roue de vélo motrice via l'arbre à engrenages. Ce qui autorise une inversion de l'action du moteur en freinage électromoteur régénératif.

Ledit dispositif de transmission à assistance électrique est aussi caractérisé en ce que le système de contrôle comporte un dispositif d'acquisition de consigne de freinage électromoteur.

Ledit dispositif de transmission à assistance électrique est aussi caractérisé en ce que le système de contrôle est configuré pour activer le frein électromoteur régénératif du moteur de manière proportionnée à la consigne de freinage qu'il reçoit. Un tel frein électromoteur peut remplacer avantageusement le dispositif de freinage classique de la roue de vélo motrice. L'éventuel déficit relatif de puissance de freinage serait alors compensé par l'allègement général procuré par l'invention (comme détaillé ci-après) et par un freinage un peu accentué sur l'autre roue.

En l'absence de signal de commande de freinage électromoteur, en phase de roue-libre, le moteur tourne librement entraîné par la roue de vélo motrice. C'est dans cette phase que la faible inertie du moteur est la plus appréciable. Elle permet de minimiser la résistance du moteur à la libre rotation de la roue de vélo motrice.

De préférence, ladite roue libre équipe le premier pignon 4c. Ainsi, lorsqu’elle est déverrouillée, le plateau le ne tourne pas inutilement par rapport au reste du pédalier.

De préférence, les axes du moteur et de l'arbre à engrenages sont sensiblement parallèles à celui des axes de rotation du pédalier et de la roue de vélo motrice. Cela permet de maximiser le rendement.

De préférence, lesdits engrenages sont à dentures droites pour maximiser le rendement.

De préférence, les matériaux et états de surfaces des engrenages sont choisis spécifiquement pour maximiser la dureté et l'absence de frictions pour maximiser le rendement et la fiabilité.

De préférence, dans les cas où la denture 5r est interne, c'est à dire que les sommets des dents sont centripètes, cette denture est taillée directement dans la jante, dans un bord de la face interne. Ce qui évite d'ajouter un anneau denté ou la succession de paliers décrite dans le document EP2855250B1. Ce qui est avantageux en termes de légèreté, de solidité et de compacité.

De préférence, les engrenages sont en plastique spécifique avec des caractéristiques mécaniques adaptées. Ce type de matériau offre une réduction optimale de la masse, du moment d'inertie et des coûts. Ce plastique est alors de préférence autolubrifiant pour libérer l'utilisateur de la contrainte de la lubrification. Ainsi, dans les cas où la denture 5r est externe, elle est de préférence taillée dans un anneau constitué de ce matériau, cet anneau étant fixé coaxialement sur un coté de la jante de la roue motrice du vélo.

De préférence, les engrenages sont disposés de sorte de minimiser les contraintes dans la liaison pivot de l'arbre à engrenages.

De préférence, la liaison pivot entre l'arbre à engrenages et le cadre 0 est constituée de roulements étanches à contacts obliques montés en “O” pour maximiser sa rigidité et sa résistance.

De préférence, l'engrenage 4r/5r fait appel à des moyens spéciaux pour maximiser la tolérance à un éventuel voile de la jante. Comme la denture 5r est solidaire de la jante, ce voile induit au cours de la rotation de petits déplacements parasites radiaux et axiaux de la denture 5r par rapport au pignon 2m. Ainsi deux caractéristiques s'imposent d'emblée pour assurer la permanence de l'engrènement tangentiel sans entrave malgré ces petits déplacements parasites :

- les largeurs respectives des dentures de 4r et 5r sont adaptées pour procurer une surface d'engrènement suffisante sur la plage de déplacement axial toléré ;

-- un jeu fonctionnel est à mettre en place entre le deuxième pignon 4r et la partie adjacente de la roue de vélo motrice pour éviter tout autre contact que l'engrènement sur la plage de déplacement axial toléré.

Il convient ensuite d'introduire un moyen d'autoriser deux degrés de liberté au niveau de l'engrènement pour les petits déplacements axiaux et radiaux. Comme les déplacements axiaux sont généralement prépondérants, le moyen privilégié est un simple engrenage cylindrique droit. En effet un engrenage cylindrique droit procure intrinsèquement une excellente tolérance aux déplacements relatifs axiaux car il n'y oppose sensiblement aucune résistance. De surcroît ledit engrenage droit peut aussi autoriser intrinsèquement de petits déplacements radiaux, se traduisant par des variations d'entraxe et de jeu d’engrènement. En effet il existe des profils et des modes d'obtention des dentures destinés à maximiser la tolérance d'entraxe et de jeu d’engrènement admissibl e. Dans un souci de simplicité, un tel type de denture droite est préconisé comme seul moyen d'affranchir l'engrenage 4r/5r desdits petits déplacements parasites. Toutefois, si nécessaire, l'ajout d'un dispositif de rattrapage de jeu dans le deuxième pignon 4r augmenterait encore la tolérance d'entraxe.

De préférence, le moteur est sans balai, à cage tournante. Comme ce type de moteur procure de hauts niveaux de couple, il se passe d'un réducteur intégré. Ce qui est avantageux pour le rendement, la réversibilité et la compacité longitudinale. De préférence encore, ce moteur dispose d'un système de refroidissement intégré pour améliorer le rendement et la fiabilité.

De préférence, la disposition du moteur et la forme du cadre favorisent le refroidissement passif du moteur par air. Pour cela il peut être judicieux de tirer aussi parti de l'air brassé par la roue de vélo adjacente. Ce qui permet d'optimiser le rendement et la fiabilité.

Ladite invention est caractérisée globalement en ce qu'elle est minimaliste. En effet, par rapport à la plupart des vélos à assistance électriques actuels, le seul ajout dudit arbre à engrenages et de la denture 5r solidaire de la jante permet de réaliser les mêmes fonctions d'usage que :

~ la transmission par chaîne,

- le mécanisme de changement de vitesses,

- le frein de la roue de vélo motrice.

Ce qui permet la suppression des composants suivants : la chaîne, la cassette de pignons, un dérailleur ainsi que sa manette et son câble de commande et, de préférence un frein ainsi que sa manette et son câble de commande. Cette simplification améliore de manière évidente les caractéristiques suivantes :

- la facilité d'utilisation,

-- la légèreté,

- la fiabilité,

- le rendement,

- la réduction des contraintes de maintenance, ~ la réduction des coûts (à niveau d'industrialisation équivalent).

Ladite invention est caractérisée enfin en ce qu'elle procure un allègement du vélo par rapport à la plupart des vélos à assistance électriques actuels. En effet, à l'allègement induit par la simplification décrite ci-dessus s'ajoute l'allègement dû à la miniaturisation du moteur. De surcroît, la roue libre de l'invention est également plus petite et donc vraisemblablement plus légère. Cet allègement global améliore de manière évidente les caractéristiques suivantes :

- la performance, surtout sans électricité,

-- le freinage,

- l'autonomie de la batterie,

- la maniabilité, la facilité de manutention.

Bien que les caractéristiques de cette invention soient particulièrement spécifiées dans les revendications, l'invention elle-même et ses différents modes de réalisation peuvent être mieux compris après une revue des descriptions suivantes, prises en relation avec les dessins annexés dans lesquels des annotations numériques sont fournies. Certaines vues peuvent être partiellement sectionnelles ou transparentes pour montrer des détails qui ne seraient pas visibles autrement.

[Fig. 1] montre une vue latérale et une vue de dessus d'un mode de réalisation de l'invention dans lequel la denture 5r de la jante et celle du plateau le sont toutes deux externes.

[Fig.2] montre une vue latérale, une vue frontale et une vue de dessus de l'arrière d'un autre mode de réalisation de l'invention où les dentures de le et 5r sont externes et où la roue arrière n'est tenue que d'un côté.

[Fig.3] montre une vue latérale et une vue de dessus de l'arrière d'un mode de réalisation de l'invention où l'engrenage 4r/5r est externe et sensiblement dans le plan médian de la roue arrière.

[Fig.4] montre une vue latérale et une vue de dessus de l'arrière d'un mode de réalisation de l'invention dans lequel la denture 5r et celle du plateau le sont toutes deux internes.

[Fig.5] montre une vue latérale et une vue de dessus de l'arrière d'un autre mode de réalisation de l'invention où le plateau le est de grande taille et à denture interne.

[Fig.6] montre une vue latérale et une vue de dessus de l'arrière d'un autre mode de réalisation de l'invention où la denture 5r de la jante et celle du plateau le sont toutes deux internes et la roue arrière n'est tenue que d'un seul côté.

En se référant à l'un quelconque de ces dessins, chacun représente tout ou partie de vélos à assistance électrique. Chacun de ces vélos est un mode de réalisation possible de l'invention. Ils ont tous en commun, d'une part, ledit dispositif de transmission à assistance électrique avec la composition et le principe de fonctionnement décrits dans les revendications, d'autre part, les spécificités suivantes :

~ la roue de vélo motrice est la roue arrière ;

- les axes du moteur et de l'arbre à engrenages sont sensiblement parallèles à celui de la roue arrière ;

~ ladite roue-libre équipe le premier pignon 4c ;

~ l'inversion de l'action du moteur est commandée par rétropédalage. Ainsi ces vélos sont non seulement dépourvus de frein arrière classique mais aussi de manette de frein arrière.

Plus en détail, chacun de ces vélos à assistance électrique est pourvu d'un cadre 0 sur lequel ledit dispositif de transmission à assistance électrique est monté dans la zone du pédalier. Ledit dispositif de transmission à assistance électrique est composé des éléments suivants :

- un pédalier, relié au cadre 0 par une liaison pivot d'axe parallèle à celui de la roue arrière, entraîné en rotation par la force motrice de pédalage et comportant un plateau le fixé de manière sensiblement coaxiale ;

- un moteur électrique 0m (fixé au cadre 0) dont l'arbre de sortie du rotor est sensiblement parallèle à l'axe du pédalier et est muni d'un pignon 2m fixé coaxialement ;

- un arbre à engrenages, relié au cadre 0 par une liaison pivot d'axe parallèle à celui du pédalier et comprenant un premier pignon 4c, une roue dentée 4m et un deuxième pignon 4r, tous trois montés de manière sensiblement coaxiale ;

- une roue libre montée coaxialement entre 4c et le reste de l'arbre à engrenages (un changement de nuance de gris entre 4c et l'arbre indique son emplacement sur les dessins), verrouillée si le pédalier est actionné par une force de pédalage apte à faire avancer le vélo, déverrouillée sinon ;

- une batterie pour alimenter le moteur électrique (non représentée) ;

- un système de contrôle dudit moteur électrique (non représenté).

le et 4c forment ensemble un engrenage noté lc/4c. 2m et 4m forment ensemble un deuxième engrenage noté 2m/4m. Et le deuxième pignon 4r engrène tangentiellement avec une denture 5r complémentaire solidaire de la jante de la roue arrière du vélo. Ce qui forme un troisième engrenage noté 4r/5r. Ainsi lorsque ladite roue libre est verrouillée, l'arbre à engrenages est entraîné en rotation à la fois par le plateau le et par le pignon 2m entraîné par le moteur. Ledit arbre à engrenages entraîne à son tour la roue de vélo motrice par l'engrenage 4r/5r. Lorsque ladite roue libre se déverrouille, elle autorise une rotation du premier pignon 4c par rapport au reste dudit train d'engrenages. Ce qui permet à la rotation de la roue de vélo motrice de se poursuivre indépendamment de celle du pédalier. Cependant le rotor du moteur reste entraîné par 2m/4m. Ce qui permet au système de contrôle d'inverser l'action du moteur en un frein électromoteur régénératif lorsqu'un rétropédalage est détecté.

En se référant maintenant à la figure 1, on a représenté une vue latérale et une vue de dessus d'une version de l'invention. Dans cette version la denture 5r de la jante et la denture du plateau le sont toutes deux externes. L'arbre à engrenage est monté sur le tube de selle. Le moteur 0m est monté rigidement sur le tube diagonal entre l'avant et le pédalier. Cette architecture va dans le sens d'une minimisation des contraintes dans la liaison pivot de l'arbre à engrenages. En effet, ladite liaison pivot est relativement large d'une part. D'autre part les moments des composantes radiales des forces d'engrènement de 2m/4m et de 4r/5r ont tendance à s'annuler. Par ailleurs la roue avant est équipée d'un frein à disque représenté sommairement. Cependant, comme indiqué ci-dessus, le seul frein arrière est le frein électromoteur de l'invention. La roue arrière est séparable du cadre 0. Son démontage et son remontage sont facilités par l'absence de chaîne, de dérailleur et de frein classique. Enfin, en l'absence de tout organe de transmission à côté du rayonnage, ce dernier peut être symétrique. Ce qui maximise la résistance massique de la roue arrière.

En se référant maintenant à la figure 2, on a représenté une vue latérale, une vue de dessus et une vue de droite de l'arrière d'une version de l'invention. Dans cette version, les engrenages dudit dispositif sont tous externes comme en figure 1. La partie arrière du cadre 0 est asymétrique. La roue n'y est tenue que d'un seul côté par un “mono-bras triangulaire” du cadre 0. Ce “mono-bras triangulaire” est constitué d'une base, d'un hauban et de la partie inférieure du tube de selle, tous trois fixés rigidement entre eux. Cette géométrie est susceptible de faciliter encore le montage et le démontage de la roue arrière. Le tube de selle est périmétrique dans la mesure où il se scinde en deux longerons sensiblement parallèles sur environ toute la moitié inférieure dudit tube de selle. Ledit arbre à engrenages est monté dans l'un de ces deux longerons, le plus proche du plateau le. L'espace entre les deux longerons permet de minimiser la longueur de l'arrière du vélo en rapprochant la roue arrière au maximum du pédalier. Le tube diagonal est également périmétrique dans sa partie inférieure. Le moteur y est monté entre les deux longerons reliés au logement du pédalier. Cela lui procure un bon refroidissement à la fois par le vent de face passant entre ces deux longerons et par l'air brassé par le pneu passant entre les deux logerons au bas du tube de selle. Enfin, comme en figure 1, en l'absence de tout organe de transmission à côté du rayonnage, ce dernier peut être symétrique. Ce qui maximise la résistance massique de la roue arrière.

En se référant maintenant à la figure 3, on a représenté une vue latérale et une vue de dessus de l'arrière d'une version de l'invention. Dans cette version, les engrenages dudit dispositif sont tous externes comme en figure 1. Le cadre 0 est partiellement périmétrique comme en figure 2 mais d'une manière plus accentuée. En effet, les logerons inférieurs du tube de selle et du tube diagonal y sont écartés au maximum de sorte que ledit dispositif de transmission à assistance électrique est entièrement logé dans cet écartement et entre les bases. Ledit arbre à engrenages est ainsi relié aux longerons du tube de selle par des paliers à ses extrémités. Et le plateau le est entre les deux paliers de guidage du pédalier par rapport au cadre. Le moteur 0m est aussi logé fixement au cadre 0 entre les deux logerons de la partie inférieure du tube diagonal. Enfin l'engrenage 4r/5r est sensiblement dans le plan médian de la roue arrière, à l'emplacement habituel du pneu. Aussi, la roue arrière est munie de deux pneus montés coaxialement sur la jante, de part et d'autre dudit plan médian de la roue arrière. Des six versions présentées ici, celle-ci est vraisemblablement celle qui minimise le plus les contraintes dans la liaison pivot de l'arbre à engrenages. En effet, la largeur de ladite liaison pivot est sensiblement maximisée pour un axe parallèle à celui du pédalier d'une part. D'autre part les moments des composantes radiales des forces d'engrènement de 2m/4m et de 4r/5r ont tendance à s'annuler. Comme en figure 1, la roue arrière est séparable du cadre 0. Son démontage et son remontage sont facilités par l'absence de chaîne, de dérailleur et de frein à friction. Enfin, comme en figure 1, en l'absence de tout organe de transmission à côté du rayonnage, ce dernier peut être symétrique. Ce qui maximise la résistance massique de la roue arrière.

En se référant maintenant à la figure 4, on a représenté une vue latérale et une vue de dessus d'une version de l'invention. Dans cette version ladite denture 5r et la denture du plateau le sont toutes deux internes pour que le sens de rotation de la roue de vélo menée soit le même que celui du pédalage moteur. La denture 5r est taillée directement dans la jante, dans un bord de la face interne. Ce qui peut être avantageux en termes de légèreté, de solidité et de compacité. Ledit arbre à engrenages et le moteur 0m sont montés sur la base arrière droite du cadre 0. Cette configuration nécessite vraisemblablement que le rayonnage soit moins proéminent du coté dudit engrenage 4r/5r pour laisser plus d'espace pour ledit deuxième pignon 4r et pour le moteur 0m. Ce qui est obtenu ici avec un moyeu à cassette du commerce dépourvu de cassette et de roue-libre. En effet sur ce type de moyeu les rayons sont fixés plus proche du plan médian de la roue du côté de la cassette. C'est pourquoi la roue 4r est montée à droite, du même côté que la cassette. Par ailleurs ledit arbre à engrenages est creux de sorte que le premier pignon 4c y est monté à l'intérieur, par l'intermédiaire de ladite roue libre. Cette solution constructive a plusieurs avantages décrits ci-dessous.

- D'abord c’est un surdimensionnement radial de la liaison pivot entre ledit arbre à engrenages et le cadre 0m. Ce qui procure à cette liaison un surcroît de rigidité, d’autant plus qu’elle est constituée de préférence de roulements à contacts obliques montés en “O”.

- Cela réduit la masse et le moment d'inertie de la roue 4m et du deuxième pignon 4r en diminuant leurs diamètres intérieurs.

- Cela diminue les contraintes dans ledit arbre à engrenages, en particulier dans 4m, 4r et dans ladite roue libre qui a ainsi une plus grande puissance transmissible.

En se référant maintenant à la figure 5, on a représenté une vue latérale et une vue de dessus d'une version de l'invention. A partir de la version de la figure 4 précédente, la principale différence est un surdimensionnement du plateau le. En effet, la denture du plateau le est à peu près à la même distance de l’axe du pédalier que les pédales. Ainsi la pédale coté transmission est montée directement sur l’anneau denté plateau le. Ce qui permet de supprimer une manivelle du pédalier. En outre, cette taille de plateau permet d'augmenter considérablement le braquet pour le pédalage. Ainsi cette version de l'invention est propice aux grandes vitesses permises par une puissance nominale de moteur au-delà des 250 W de la législation européenne sur les vélos à assistance électrique. De surcroît, cette taille de plateau permet aussi d'augmenter la taille de la roue dentée 4m. D'où la possibilité d'accroître encore la démultiplication du moteur à la roue arrière. De plus le moteur 0m est ici fixé au tube de selle. Ce qui permet d'utiliser éventuellement un moteur de plus grande taille que les versions où il est sur le côté de la roue de vélo. Enfin, dans cette version, en plus du surdimensionnement radial de la liaison pivot de l'arbre à engrenages creux, la disposition des engrenages 2m/4m et 4r/5r accentue une minimisation des contraintes dans cette liaison. En effet, les moments des composantes radiales des forces d'engrènement de 2m/4m et de 4r/5r ont tendance à s'annuler.

En se référant maintenant aux figure 4 et figure 5, comme en figure 1, la roue arrière est démontable, mais apparemment de manière moins aisée à cause du deuxième pignon 4r à contourner.

En se référant maintenant à la figure 6, on a représenté une vue latérale et une vue de dessus d'une version de l'invention destinée à remédier à la relative difficulté de démontage de roue arrière des deux versions précédentes. Pour cela la seule différence par rapport à la version de la figure 4 est que la roue arrière n'y est tenue que du côté de la transmission par un “mono-bras triangulaire” du cadre 0. Ce “mono-bras triangulaire” est constitué d'une base, d'un hauban et d'une partie du tube de selle, tous trois fixés rigidement entre eux. Bien sûr cette asymétrie requiert un renforcement spécifique du cadre. Toutefois, cette version est aussi équipée d'un moyeu spécifique permettant le même type de rayonnage asymétrique que sur les moyeux à cassette mais sans la partie saillante à droite destinée habituellement à recevoir la roue libre et la cassette de pignons. Ce qui permet de rapprocher le “mono-bras triangulaire” du plan médian de la roue arrière autant qu'il est possible avec une roue à rayons. Ce qui permet de minimiser le porte-à-faux de la roue arrière. Ce qui permet de minimiser les contraintes dans le cadre 0 et donc de minimiser le renforcement dû à l'asymétrie.

En ce qui concerne les susdites descriptions et les dessins associés, il doit être accepté que seules les revendications déterminent toute l'étendue du périmètre de l'invention. A l'instar des dispositifs

470 représentés auxquels se réfèrent les susdites descriptions, tout dispositif appliquant les principes de fonctionnement définis dans les revendications appartient au périmètre de l'invention.

Claims (5)

1. Revendications

   1. Dispositif de transmission à assistance électrique pour vélo, ledit dispositif comprenant :

   - un pédalier, en liaison pivot avec le cadre 0, entraîné en rotation par la force motrice de pédalage et comportant un plateau le fixé de manière sensiblement coaxiale,

   - un moteur électrique 0m dont le stator est solidaire du cadre 0 et dont l'arbre de sortie du rotor est muni d'un pignon 2m fixé coaxialement,

   - un arbre à engrenages, en liaison pivot avec le cadre 0 et comprenant un premier pignon 4c, une roue dentée 4m et un deuxième pignon 4r montés tous trois de manière sensiblement coaxiale,

   - une roue libre verrouillée si le pédalier est actionné par une force de pédalage apte à faire avancer le vélo, déverrouillée sinon,

   - une batterie pour alimenter le moteur électrique,

   - un système de contrôle dudit moteur électrique basé principalement sur le pédalage, caractérisé en ce que:

   - le plateau le et le premier pignon 4c sont en contact par l'intermédiaire de leurs dentures respectives qui sont complémentaires, de sorte qu'ils forment ensemble un engrenage noté lc/4c,

   - le pignon 2m et la roue dentée 4m sont en contact par l'intermédiaire de leurs dentures respectives qui sont complémentaires, de sorte qu'ils forment ensemble un deuxième engrenage noté 2m/4m,

   - le deuxième pignon 4r comporte une denture destinée à engrener tangentiellement avec une denture 5r complémentaire solidaire de la jante de l'une des deux roues du vélo, de sorte que, lorsque ladite roue libre est verrouillée, d’une part ledit arbre à engrenages est entraîné en rotation à la fois par l'engrenage lc/4c et par l'engrenage 2m/4m, d’autre part il entraîne la roue de vélo motrice en rotation par l'engrènement tangentiel du deuxième pignon 4r sur la denture 5r.
2. 2. Dispositif de transmission à assistance électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le diamètre nominal de la denture 5r fait plus de 80% du diamètre périphérique de ladite jante ; le diamètre du premier pignon 4c est inférieur à celui du deuxième pignon 4r qui est quant à lui inférieur à celui de la roue dentée 4m.
3. 3. Dispositif de transmission à assistance électrique selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que ladite roue libre équipe de manière coaxiale soit ledit premier pignon 4c soit ledit plateau le, de sorte que, lorsque ladite roue libre se déverrouille, le pignon 2m reste entraîné en rotation par la roue de vélo motrice via l'arbre à engrenages. Ainsi l'action du moteur peut être inversée en un frein électromoteur régénératif.
4. 4. Dispositif de transmission à assistance électrique selon les revendications 1 et 3 caractérisé en ce que le système de contrôle comporte un dispositif d'acquisition de consigne de freinage électromoteur.
5. 5. Dispositif de transmission à assistance électrique selon les revendications 1, 2, 3 et 4 caractérisé en ce que le système de contrôle est configuré pour activer le frein électromoteur régénératif du moteur de manière proportionnée à la consigne de freinage reçue.