WO2020212658A1 - Capteur de mesure d'effort - Google Patents

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WO2020212658A1
WO2020212658A1 PCT/FR2020/000121 FR2020000121W WO2020212658A1 WO 2020212658 A1 WO2020212658 A1 WO 2020212658A1 FR 2020000121 W FR2020000121 W FR 2020000121W WO 2020212658 A1 WO2020212658 A1 WO 2020212658A1
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force sensor
sensor
axis
cyclist
sensor according
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PCT/FR2020/000121
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Jean-Pierre Mercat
Béranger ALEXANDRE
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Mavic S.A.S.
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Publication date
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring the force exerted on a shaft driven in rotation.
  • the invention relates to a test body serving to measure the forces on a rotating shaft.
  • the crankshaft is a rotating shaft which is driven in rotation by the pedals and to which the measuring device of the invention can be applied.
  • the invention is not limited to the sole application of the force measurement on a crankshaft.
  • the invention will be described for an application to the measurement of the torque of a bicycle crankshaft and in particular of a crankshaft of an electrically assisted bicycle.
  • Measuring the torque exerted on a rotating shaft is more difficult to achieve than measuring a torque or a force exerted on a fixed element. Indeed, if, for the measurement of force, strain gauges are stuck on the rotating shaft, it is necessary to provide for transmitting the measurements made on the shaft to an external box in order to process and / or view the signal. It is then necessary either to add a rotating collector, which will generate friction and interference, or to have a rotating processing electronics with the axis comprising its own power supply as well as a wireless data transmission system to recover the data. information, which is complex, expensive, unreliable and likely to create a delay in signal processing.
  • a good sensor should only be sensitive to the component that one seeks to measure, here Fx, and be as insensitive as possible to the other components Fy / Fz / Mx / My / Mz.
  • Fx the component that one seeks to measure
  • Fy / Fz / Mx / My / Mz two pairs of gauges are placed on two opposite sides of the arm, which complicates their bonding and significantly increases the cost.
  • the deformation gradient of the arm in the area where the gauges are glued is very important, so any imprecision in the gluing of the gauges has a big influence on the sensitivity of the measurement.
  • the objective of the invention is to provide a sensor making it possible to measure the forces to which a rotating shaft is subjected which does not have the drawbacks of the prior art.
  • the objective of the invention is also to provide a sensor which, when it is installed at the bottom bracket of a bicycle, makes it possible to determine the torque transmitted by the cyclist to the driving wheel of the bicycle.
  • the objective of the invention is also to provide a sensor and a method making it possible to measure, most precisely, most efficiently, in the most reliable manner and at a lower cost, the torque transmitted by the cyclist to the driving wheel of the. bike.
  • the objective of the invention is to optimize the determination of the force provided by the cyclist, in order to effectively control the assistance motor.
  • a force sensor which comprises a peripheral portion, a central portion and a first frame connecting a top section of the peripheral portion to a top portion of the central portion; said central portion comprising a seat provided to receive the outer ring of a bearing in order to mount a shaft in rotation about a Z axis; said frame comprising a core framed by two arms substantially parallel to one another such that said upper section of the peripheral portion, said upper portion of the central portion and the two arms form a parallelogram.
  • the thickness of the core, along the Z axis is less than 50% of the thickness of the arms.
  • the arms are solid and offer good resistance to stresses oriented along their greatest length (Y 'axis).
  • the parallelogram-type structure of the frame structure facilitates its deformation in response to stresses oriented perpendicular to the arms (axis X ′).
  • the relative weakness of the core offers little resistance to the deformations of the frame structure.
  • the objective of the invention is also achieved by providing a bottom bracket assembly designed to be mounted on a bicycle, said assembly comprising at least one bearing serving for mounting a bottom bracket shaft and a force sensor placed. around the outer ring of said bearing, said sensor comprising a top frame and a bottom frame, the two frames being diametrically opposed along an axis Y 'and placed between a peripheral portion and a central portion of said sensor, one at the less of the two frames used for fixing strain gauges, the axis Y 'makes with the vertical axis Y an angle f of between 10 ° and 30 °, preferably between 20 ° and 25 °; and in that the top frame 33 is placed behind the vertical axis Y.
  • This particular angular portion of the sensor optimizes the values of the signal S delivered by the latter. It makes it possible in particular to minimize the existing differences in the evolution of the signal between the two phases: right pedal down and left pedal down.
  • the core which is in contact with the two arms with the upper section of the peripheral portion and with the upper portion of the central portion, forms part with the two arms, the upper section and the upper portion of a one and only piece made from the same material.
  • the core is flat, is oriented in a radial plane, perpendicular to the Z axis, and it occupies a central position relative to the arms.
  • the core is used for the placement of strain gauges.
  • four strain gauges are glued to the core.
  • a second frame substantially identical to the first test body connects the peripheral portion to the central portion, said first and said second frame being diametrically opposed.
  • a bellows connects the peripheral portion to the central portion over the entire circumference with the exception of the areas occupied by the frame or frames.
  • the bellows guarantees the tightness of the sensor without hindering the deformation of the frames in the direction X '.
  • the bellows comprises an internal wall in contact with the central portion, an external wall in contact with the peripheral portion and a central wall connecting the internal wall to the central wall.
  • the inner wall and the outer wall are substantially planar and oriented along a radial plane, perpendicular to the Z axis, and the central wall is substantially cylindrical.
  • the thickness of the walls of the bellows is relatively thin, in particular between 0.5 mm and 0.8 mm.
  • the entire sensor is made from one and the same part, for example by machining from a block, or by 3D printing.
  • the invention is also achieved by the implementation of a method for controlling an electric assistance motor for a bicycle, which bicycle being equipped with a crankset assembly as described above, itself equipped with 'a sensor conforming to the above paragraph.
  • the signal S generated by the force sensor corresponds to the component along an axis C ', X' being perpendicular to Y 'and to Z, of the action R rig ht exerted on a right bearing of the bottom bracket assembly, this component being denoted: FW- Total.
  • FW-Cyclist FW-Total - K1.K2.I; (I is the current consumed by the assistance motor; Ki , the constant torque of the assistance motor and K2, a factor depending on the number of teeth of the chainring meshed by the transmission chain).
  • the minimum value of the component, FW min is stored in memory; in that at each instant, this minimum value is subtracted from the portion of the component generated by the cyclist, FW cyclist; and in that an averaging operation is performed on a multiple of a crankset half-revolution:
  • the method according to the invention makes it possible in particular to be freed from the influence of the chain tension and of the temperature differences in the measurements of the torque generated by the cyclist.
  • the invention will be better understood in the light of the following description.
  • the drawing annexed thereto comprises;
  • Figure 1 is a perspective view of the central part of a bicycle.
  • Figure 2 is a sectional view of the bottom bracket shell.
  • Figure 3 is a partial front view of the bottom bracket shell.
  • Figure 4 is a front view of the sensor.
  • Figure 5 is a rear view of the sensor.
  • Figure 6 is a sectional view A-A of the sensor.
  • Figure 7 is a C-C sectional view of the sensor.
  • Figure 8 is a section view B-B of the sensor.
  • Figure 9 is an E-E sectional view of the sensor.
  • FIG. 10 is a rear view of the sensor when the latter is deformed.
  • Figure 11 is a sectional view C-C of the deformed sensor.
  • Figure 12 is a sectional view B-B of a deformed sensor.
  • FIG. 13 is a detail view showing the rear of the sensor.
  • Figure 14 is a schematic view of the strain gauge wiring.
  • Figure 15 is a schematic view of the crankset.
  • FIG. 16 is a graph representing the typical evolution of the no-load voltage of the chain To as a function of the number of teeth of the sprocket of the rear sprocket cassette and this for a large chainring of fifty teeth (dotted lines) and for a small chainring of thirty-four teeth.
  • FIG. 17 is a graph showing the evolution of the components exerted by the action of the cyclist on the right pedal.
  • Figure 18 is a graph showing the pedaling torque exerted by the cyclist on the two right and left pedals.
  • FIG. 20 is a graph representing a generally increasing evolution of the pedaling torque of the cyclist as a function of the angle b of the crank, in order to explain a procedure for controlling the assistance torque.
  • FIG. 21 is a block diagram explaining the principle of servo-control of the device for measuring the force and controlling the motor according to the invention.
  • Fig. 22 is a graph showing the variation of the horizontal components acting on the sensor.
  • FIG. 1 illustrates an electrically assisted bicycle 1 incorporating a crankset assembly according to the present invention.
  • this bicycle comprises a frame on which two wheels are fixed.
  • Figure 1 is a partial view of the bike on which only the down tube 13, the seat tube 12, the rear chainstays 14 and the bottom bracket 2 which is located at the intersection of these different frame elements are visible .
  • the rear wheel (not shown) is a drive and is driven by means of a transmission chain 19 by the crank 15 consisting of a shaft 4 at the end of which are fixed cranks 16, 16 'and two pedals 17, 17'.
  • the right crank 16 comprises a star 161, the ends of which are used for fixing a toothed plate 18.
  • Figure 2 shows in section the interior of the bottom bracket 2.
  • it is an electrically assisted bicycle with a central motor, that is to say placed near the crank 15.
  • the assistance motor is not only located inside the bottom bracket itself 2, but it is coaxial with the shaft 4 of the bottom bracket 15 and drives this last directly.
  • the force sensor according to the invention could be used for other types of electrically assisted bicycle (front motor, rear motor, friction roller, parallel central motor. , etc.), for unassisted bicycles or, more generally, to measure the forces to which a rotating shaft may be subjected.
  • the bottom bracket 2 which is an element integrated into the frame of the bicycle 1 is used to house the casing 21 inside which the motor 23, the reduction gear 25, the measuring and control means and which passes through it take place. 'shaft 4 of the crankset 15.
  • the mechanical power generated by the motor 3 is transmitted to the reduction gear 25 then to the shaft 4 by means of a freewheel mechanism 26.
  • the housing On its right side, that is to say - say on the side of the toothed plate 18, the housing is closed by the sensor 3.
  • the cover 22 is fixed to the housing 21 by screws 221.
  • the cover 22 as well as the sensor 3 have in their center a circular opening at the periphery of which is provided a seat for the outer ring of a ball bearing.
  • the right bearing 28, placed in the sensor 3, and the left bearing 28 'placed in the cover 22 ensure the rotary mounting of the shaft 4 of the crank 15 around the Z axis.
  • the housing 21 and all the different elements it contains is inserted inside the bottom bracket on the right side of the latter until the cover 22 comes to rest against the collar 291 which closes the inside of the housing 2 on its left side. Screws (not visible in the section of FIG. 2) fix the flange 291 and the casing 21, thus ensuring that the casing is held in the bottom bracket.
  • the bottom bracket 2 comprises an angular sensor (not shown) making it possible to determine the absolute angular position of the cranks, measured by the angle b shown in FIG. 13.
  • This type of sensor can be produced by a magnetic crown rotating with the pedal next to a Hall effect magnetic sensor fixed to the case.
  • FIG. 3 shows a partial front view of the bottom bracket.
  • the right crank 16 as well as the central part of the plate 18 have been cut so that the sensor 3 and the angular positioning thereof are visible.
  • FIG. 4 is a view of the external face
  • view 5 is a view of the internal face
  • Figure 6, respectively Figure 9, is the sectional view AA, respectively in section EE, along the axis Y 'and Figure 7, respectively
  • Figure 8 is the sectional view CC, respectively in section BB, according to l 'X axis'.
  • the sensor performs several distinct functions. First of all, it closes the housing 21 and seals it on the right side thereof. Then, it participates in the rotary assembly of the shaft 4 of the crankset. To do this, a seat 351 is provided in the center thereof.
  • the seat 351 is a cylindrical surface whose height fi35i along the Z axis is equal to the height of the bearing.
  • at least one of the areas of the sensor constitutes a test body to which strain gauges are glued.
  • the sensor 3 has substantially an annular shape. It comprises a peripheral portion 34 which is fixed by screws to the housing 21 and / or to the bottom bracket 2. This peripheral portion 34 which extends over the entire circumference of the sensor, is relatively rigid and substantially undeformable.
  • the sensor also comprises a central portion 35 of annular shape, relatively rigid and substantially undeformable. It is in this central portion 35 that the seat 351 of the right bearing 28 is formed.
  • the peripheral portion 34 and the central portion 35 are connected by two diametrically opposed frames 33, 33 '.
  • Each frame 33, 33' consists of two arms 331, 332, substantially parallel to each other. , and a core 333 placed between the two arms. According to the Z axis, that is to say the axis of rotation of the crankset, the arms 331, 332 are placed opposite the seat 351 of the bearing and have a height fi33i substantially equivalent to the height of the latter h35i -
  • the right arm 331, the left arm 332, the upper section 342 of the peripheral portion 34, and the upper portion 352 of the central portion 35 together constitute a frame of substantially rectangular shape which under the effect of a force oriented along the line.
  • 'axis X' is liable to deform until it takes the form of a parallelogram.
  • the core 333 has a thickness 11333 much smaller than the height fi33i of the arms 331, 332.
  • the frames 33 and 33 ' are the two possible test bodies of the sensor, that is to say the place where the strain gauges will be placed.
  • the sensor 3 also comprises two bellows 36, 36 'which connect the peripheral portion 34 to the central portion between the two frames 33, 33'. These two bellows have a much lower mechanical rigidity than that of the frames.
  • FIG. 7 shows the profile of the bellows 36.
  • the latter comprises an internal wall 361, which is in contact with the central portion 35, an external wall 362, which is in contact with the peripheral portion 34 and a wall central 363 which connects the two walls mentioned above.
  • the internal 361 and external 362 walls are substantially plane and parallel to each other, but distant from each other, by a value which substantially corresponds to the height fi3 of the sensor 3.
  • the central wall 363 is substantially cylindrical.
  • the thicknesses of the various portions of the sensor which constitute the bellows, namely the internal, external and central walls are small relative to the thickness of the arms.
  • Figure 8 shows the profile of the bellows 36 when the latter is in contact with the arm 331.
  • the bellows comprises an additional wall 369 which extends the arm 331.
  • This configuration allows the bellows 36 to deform into its upper end, respectively lower, placed against the upper frame, respectively lower.
  • the sensor 3 is preferably in one piece, and made of a single material. For example, it will be possible to machine it in the mass starting from a bar made of 7075 aluminum alloy having high elastic resistance and good fatigue properties. In this case, it can be machined directly on a twin-spindle lathe without subsequent rework.
  • the production of the bellows 36 then being done, on the one hand, by milling two external cavities 364, 364 'from the external face of the sensor and, on the other hand, by milling internal cavities 365, 365' from the internal face of the sensor. sensor 3.
  • Each of the external cavities 364, 364 ′ has the shape of a ring portion and the ends of which run alongside the arms 331, respectively 33.
  • the internal cavities 365, 365 ' also have the shape of a ring portion.
  • the milling of the cavities must be done with very great precision, insofar as the bottom of the external cavity 364, respectively of the internal cavity 365, defines the internal wall 361, respectively the external wall 362 and that the central wall 363 separates the external cavity 364 of the internal cavity 365.
  • the various walls of the bellows have a thickness of between 0.5 mm to 0.8 mm, preferably approximately equal to 0.7 mm.
  • the two frames 33, 33 'arranged symmetrically on either side of the bearing 28 and connecting the outer ring of the bearing to the housing of the housing can very rigidly take the various moments as well as all the components except for the shear component. of the frame 33 which will be taken up by the central core 333 connecting the interior of the frame in a manner analogous to the canvas of a painting in its frame.
  • FIGS. 10, 11 and 12 illustrate in a view respectively similar to FIGS. 5, 7 and 8, the deformed sensor. These figures correspond to a deformation generated by the application along the X axis of a force F, of amplitude 4500 N, on the bearing. To make the deformations more visible, their amplitude is multiplied by 70 in these figures. It can in particular be seen that the top and bottom frames deform while keeping a parallelogram shape, so that the core 33 which is trapped between the four members of the frame 331, 332, 342, 352 will undergo shear stresses which are will see later that they will be measured by the strain gauges.
  • the bellows 36 is sufficiently flexible so that it can deform a lot.
  • the sizing of the bellows is made so that the stresses linked to the different loads representative of the maximum forces in service do not exceed 250 MPa, preferably not exceed 160 MPa so that the sensor has endurance unlimited in alternating fatigue.
  • the horizontal force transferred by the central bearing 28 will be transmitted equally by a shear force passing through the upper frame 33 and a shear force passing through the lower frame 33 ', the rigidity of the bellows 36 being almost negligible, it can be considered that approximately half of the shearing force will be transmitted by each of the frames 33, 33'.
  • FIG. 13 illustrates the mounting of the four strain gauges Jl, J2, J3, J4 which are glued to the internal face of the core 333.
  • the gauges could also be fixed to the lower frame 33 '. In this case the signal collected will be identical but of opposite sign.
  • the gauges are fitted as a full Wheatstone bridge.
  • the complete bridge is supplied by a P + and P- terminal and has two signal terminals S + and S- which directly give the differential voltage reference of the measurement signal (up to the offset).
  • the four gauges preferably comprise a median plane of symmetry with an alternation of orientation at + 45 ° / -45 ° / + 45% 45 °, the two gauges of the ends are then connected together.
  • This type of sensor turns out to be almost symmetrical in tension / compression and there is therefore no noticeable difference in positioning the complete bridge in the top or bottom frame except to reverse the sign of the signal, which simply amounts to permuting S + / S- or P + / P- to find the same sign.
  • the particular form of the sensor 3 according to the invention makes it possible to have a sensor which is only sensitive to the "horizontal" force (perpendicular to the diagonal where the two frames 33 are located). . It should also be noted that the measurements carried out on the sensor 3 reveal a vertical / horizontal relative sensitivity of 0.3% and an axial relative sensitivity of 0.5%, as regards the sensitivity at the three moments Mc, Mg and Mz, it is also very low. This low moment sensitivity is also a consequence of the fact that the sensor 3 is mounted on the outer race of a bearing and that a ball bearing has an extremely low friction torque along its axis (Mz) and that the other two moments (Mc, Mg) remain very low because they admit very little moment of discharge.
  • the sensor described in the figures gives a measurement signal of 2.5 mV / V at full scale for a horizontal force of 4500 N, its hysteresis is only about 0.1% between the increase in force and the descent .
  • the senor 3 is made of aluminum alloy. It can also be made of alloy steel. In this case, with identical dimensions, the sensitivity will be approximately three times lower (ratio of the moduli of elasticity) but the full scale of horizontal force measurement will be substantially multiplied by three, the deformable bellows function then remains perfectly functional.
  • a maximum horizontal force of 4500 N produces a shear displacement of the frame of the order of 0.06 mm, thus ensuring very good rigidity to the sensor.
  • the deformable membrane of the bellows which comprises the different walls is designed in this embodiment with a nominal thickness of 0.7 mm, it has a sufficiently long perimeter to be very flexible and thus have a maximum stress level of less than 160 MPa under the maximum load of 4500 N, ensuring it an unlimited fatigue life under this alternating loading.
  • the most critical zone in terms of design is undoubtedly the zone of connection of the arms 331, 332 of the frame 33 with the peripheral portion 34.
  • This rather concentrated zone has a level of deformation projected on a plane perpendicular to the very dense axis. and it is necessary to produce a substantially cylindrical and thin membrane zone allowing it to deform in shear without rising to a high level of stress.
  • the end portion 3631 of the central wall 363 which provides the connection between the latter and the arm 331, respectively 332, is cylindrical.
  • This terminal portion 3631 is bordered by a cavity 366.
  • This cavity is produced here using a hemispherical cutter with a diameter of 2.5 mm ensuring a connection radius of 1.25 mm sufficient so that the stresses do not become excessive. .
  • the depth of machining is variable here and is greater in the distal portion 3661 of the cavity 366, that adjoining the internal cavity 365, than in the proximal portion 3662, that is to say that placed directly near the arm 331.
  • This configuration has the effect of reducing the transverse rigidity of the end portion 3631 thus reducing the stresses at the base of the cylinder.
  • FIG. 14 describes the measurement chain used with the sensor of the invention.
  • the four gauges are mounted as a Wheatstone bridge. Such an assembly is commonly used in extensiometry.
  • the four resistors are mounted in a series loop, represented schematically by a square, one diagonal is supplied by a direct voltage E and the other diagonal measures a signal DE which is proportional to the variations in resistance of the four branches, according to the formula:
  • the voltage E applied to the bridge is generally a direct voltage of a few volts (5V) but can be sampled in order to reduce Joule heating and consumption of the bridge.
  • the elastic resistance of the test body here the core 333, must be such that no plastic deformation or hysteresis is created during large load cycles.
  • it will be chosen to make the sensor in a material having a good level of elastic deformation.
  • the test body should be sized correctly in order to avoid stress concentrations which may be critical in terms of fatigue.
  • Aluminum alloys of the 2000 and 7000 series or heat treated alloy steels are well suited to meet both requirements.
  • an adjustable resistor of low value can be added in series on one of the branches (positive or negative) of the power supply, in order to calibrate during a calibration procedure the sensitivity of the sensor to a very precise value in order to avoid having to enter a calibration coefficient in the microcontroller specific to each sensor.
  • This installation of a resistance in series has the drawback of slightly reducing the sensitivity of the sensor.
  • the Wheastone bridge equipped with four active gauges, is supplied by a direct voltage E between P + and P- and the measurement signal is picked up between S + and S-, this signal is then amplified using a differential amplifier 72, then the offset of the bridge is subtracted before this analog signal is converted into a digital signal by an Analog / Digital converter 73 to be processed by the microcontroller 74.
  • the differential amplification stage can be directly integrated on the microcontroller component with low level differential input and programmable gain.
  • the offset procedure can advantageously be processed digitally directly by the microcontroller, however this method requires limited amplification so as not to saturate the signal and an A / D conversion over a larger area including the full measurement scale plus the amplitude d 'offset, an 11 to 12 bit conversion provides excellent resolution.
  • FIG. 15 schematically describes the bottom bracket as well as all the forces to which the various elements are subjected.
  • Points A and B correspond respectively to the pivot connections provided by bearings 28 and 28 '.
  • Action of chain 19 on plate 18. This can be broken down into two actions: the action of the lower strand 192 of chain 19 of chain tension which corresponds to the open tension of the chain in a substantially horizontal direction towards the rear (the axial component is neglected) and the action of the upper strand 191 of the chain which corresponds to the superposition of the no-load voltage To and the driving voltage of the chain Tchain (the axial component is also neglected);
  • the engine torque, C mo tor, the pedal is directly related to the tension of the chain, Tchain, by the following relationship:
  • the idle tension of the chain To shown in FIG. 15 can be measured in the absence of transmitted torque; it is provided by a spring positioned in the rear derailleur and generating a torque on the yoke of the two derailleur rollers.
  • Figure 16 shows, on the ordinate, the typical evolution of the chain tension (expressed in Newtons), as a function, on the abscissa, of the number of teeth of the pinion meshing at the level of the rear wheel for a cassette of eleven pinions having teeth between eleven and thirty teeth, the graph includes a first curve (continuous gray) representing meshing conditions on a small plate of thirty-four teeth and a second curve (dotted black) representing meshing conditions on the large fifty tooth chainring.
  • This first method requires entering in memory at least one table of values or a law of evolution of tension according to the gear combination and to respect the chain length recommendation.
  • a second method consists in calculating the gear ratio by measuring, on the one hand, the speed of the cycle using a fixed sensor placed opposite the trajectory of one or more magnets rotating with one of the wheels and measuring the rate of pedaling using the angular position sensor arranged in the housing 21, the ratio between these two rotational speeds will make it possible to determine the transmission ratio and therefore to deduce the combination of transmission ratio with certainty if we know otherwise the chainring used, as there is an area of overlap between the large and small chainrings which can be problematic in determining the correct combination.
  • a third more innovative method is based on the analysis of the cyclist's pedaling cycle.
  • the instantaneous torque is a periodic function whose period is punctuated by the thrust of the right leg then of the left leg.
  • the action of the chain's no-load voltage can be advantageously canceled by making a differential measurement, which consists in each pedaling cycle of measuring the minimum value of the reaction and putting it in memory, then subtracting it from each of the instantaneous measurement values giving a differential result which therefore becomes independent of the chain tension since it is found subtracted when the minimum value is subtracted.
  • the absolute value can then be estimated by multiplying the differential value by a coefficient of proportionality since the amplitude of the pedaling force is very substantially proportional to the mean value of the pedaling force. This differential measurement also makes it possible to cancel the effect of variation of offset linked to temperature variations.
  • the static balance of the crankset makes it possible to establish a relationship between the five force components which can exert a motor torque (P Rx , P Ry , P Lx , Pi_y, Torque) and the five other unknown components of the balance sheet, namely (RRX, RRy, RL X , Ri_y, T chain )
  • This relation can be translated in the form of a matrix (5X5) on which the twenty-five coefficients a which depend of angle b are calculated by writing the static equilibrium of the six actions previously described.
  • the resolution of the static equilibrium shows that six coefficients are harmful and that the coefficients a ⁇ s, a and ass are independent of b.
  • the motor torque generated by the assistance motor, T orq ue can be known by measuring the intensity of the current consumed by the latter. In theory, it would therefore be necessary to know at least four independent measurements in order to be able to determine with certainty the four components of the actions on the right and left pedals (P Rx , P Ry , P Lx , Pi_y,) and to completely solve the system in order to be able to deduce from the engine torque is certain.
  • One of the objectives of the invention is to provide a solution making it possible to easily determine the average torque transmitted by the cyclist from the measurement of the radial component RR X measured on the bearing placed on the side of the crankset which is very stressed by chain tension.
  • FIG. 17 shows the change as a function of the angle b, of the two force components generated by the right pedal PR X (horizontal) and PR y (vertical) as well as the resulting torque MR Z generated around the axis of the crank. It can be noted that for an angle b between 190 ° and 360 ° the torque is negative and therefore slightly resistant.
  • FIG. 18 represents the change as a function of b of the torque of the right pedal (MR z ) already represented in FIG. 17 and of the left pedal (M Lz ) which is substantially a simple phase shift of half a turn, thus that their sum which represents the total torque (M totai ) and finally the average pedaling torque (M avg ) which is equal here to 41 Nm.
  • the global torque is a function, always positive sinusoidal shape, whose period is half of the pedaling period.
  • the shape of the four force components (PR X , PR V , PL X , PL V ,) from FIG. 17 represents four periodic signals phase-shifted by half a period between right and left. This is why it is not necessarily necessary to carry out four measurements to accurately assess the average torque transmitted by the chain.
  • the signal supplied by the sensor is essentially representative of the component of the reaction R ght in the direction X ', c' that is to say the direction perpendicular to the diagonal Y 'which connects the two frames 33, 33'.
  • the angular position of the sensor 3, identified by the angle f in FIG. 3 therefore has an influence on the amplitude and the variations of the signal supplied by the sensor during a complete cycle.
  • This rotation of angle f means that the measure RRX 'can be calculated easily from RRX, RRY resulting from the preceding matrix calculation:
  • FIG. 19 shows the variations of the force measured as a function of the angle b, for a chainring of fifty teeth in accordance with FIG. 1, and this for different values of the angle f between 0 ° and 30 °.
  • the force measured by the sensor is represented by the curve RRX 0 °, represented by a thick line on the graph of figure 19, goes through a zero value and becomes negative in the phase 100 ° ⁇ b ⁇ 165 °, which already poses a signal processing problem since the sign and the direction of variation are opposite to the rest of the travel of b but it also results from it, that the average value of the signal measured during the descent of the right pedal (0 ° ⁇ b ⁇ 180 °) will be lower than the average value of the signal during the descent of the left pedal (180 ° ⁇ b ⁇ 360 °).
  • Ai and A2 are, respectively, the areas under the RRX 0 ° curve, of the signal in the phases 0 ° ⁇ b ⁇ 180 ° and 180 ° ⁇ b ⁇ 360 °.
  • the area Ai represents the image by the measurement RR X of the work of the torque transmitted by the right pedal while the area A2 represents the image of the work of the left pedal.
  • the graph of figure 19 also comprises three other curves represented by dotted lines, which represent the signal measured by tilting the sensor 3 successively by an angle f of 10 °, 23 ° and 30 °, it can be noted that when the angle f increases, the maximum of the first phase increases while the maximum of the second phase decreases and from f> 10 °, the signal no longer becomes negative, which makes it easier to process it. Increasing the angle f therefore tends to increase the area Ai and decrease the area A 2 and therefore to balance and increase the ratio Ai / (Ai + A 2 ).
  • Fig. 19 The measurements in Fig. 19 are made for a 50/11 transmission ratio, that is, a fifty tooth front chainring and an eleven tooth rear sprocket. Another transmission ratio gives slightly different signal curves.
  • the graph of FIG. 20, precisely represents the variation of the ratio Ai / (Ai + A2), as a function of the angle f varying between 0 ° and 35 ° for two different transmission ratios, 50/11 and 34/26.
  • the average torque transmitted by the cyclist at each pedaling cycle is therefore indeed proportional to the area A1 + A2, the coefficient of proportionality being dependent on the number of teeth of the chainring used and being able to be established by a preliminary calibration in the laboratory.
  • this entire mechanical system can be compared to a mechanical toggle system between the hip joint and the axis of the pedal which generates an average thrust force passing by the axis of the pedal and close to the axis of the femur, generally inclined about twenty degrees relative to the vertical when the pedal is in its truly driving phase (right pedal 30 ° ⁇ b ⁇ 150 °) , it is therefore understandable that when the sensor is oriented substantially perpendicular to this pedal axis / femur axis line, it becomes symmetrical since it is not disturbed by a perpendicular component which becomes negligible.
  • FIG. 21 is a block diagram explaining the principle of servo-control of the device for measuring force and controlling the motor according to the invention.
  • Ki being the torque constant gearmotor which can be determined and programmed in the factory and entered into memory (symbolized by box Ki ) .
  • the controller will have to recalculate the current injected into each of the phases with a very high frequency, our torque reference calculation loop could therefore also potentially be recalculated at a frequency high.
  • This preliminary calibration operation could for example be carried out using the following protocol: the rear brake is blocked in order to immobilize the rotation of the rear wheel, a current setpoint is sent jointly to the motor and the evolution of the signal from the motor is measured.
  • the microcontroller will then be able to store the product K1.K2 in memory .
  • this can be obtained by any known means, in particular by monitoring the position of the front derailleur, which monitoring is relatively easy with electric derailleur systems.
  • the sensor 3 represented by the Wheatstone bridge will be requested by three mechanical actions symbolized in the synoptic diagram by dotted arrows, we therefore find the action of the motor torque of the assistance motor which is superimposed on the motor action of the cyclist (symbolized by the "Cyclist” box) to transmit the sum of these torques to the action of the chain (symbolized by the "Chain” box) which will transmit the engine force to the rear wheel (symbolized by the "Rear circle” Wheel ").
  • the signal S generated by sensor 3, R RX 'Total will therefore be the superposition of the value generated by the motor, the value generated by the cyclist that we have described in the previous paragraphs and the value linked to the no-load voltage To of the chain that we also described previously.
  • the FWmin value can be visualized by the lower horizontal dotted curve of the graph in figure 22.
  • n represents the number of averaged sampling values per revolution, for example forty samples every 9 ° as visible by each of the points visible on the curves of figure 22, the above calculation therefore realizes a simple arithmetic mean of the twenty previous values of the differential value Al cyclist which gives a very reactive and very stable smoothing.
  • the determination of the FWAssist comes from a complete model where the assistance factor K 4 is equal to 75% and or the average torque delivered by the cyclist is stable and is equal to 25 Nm , the complete algorithm above generates a small oscillation of this value around its average value but which remains very low relative to the oscillation of the cyclist's torque.
  • the average differential value c ' ⁇ b) is proportional to the average torque developed by the cyclist, it is therefore sufficient to multiply it by the coefficient K3 (symbolized by the box "K3" fig21) to obtain the average torque of the cyclist according to the operation noted:
  • the factor K 3 which depends mainly on the number of teeth of the chainring 18 is a coefficient expressed in units of length which is a little smaller than the pitch radius of the chainring, in the example shown in Figure 1 with a chainring of fifty teeth (pitch radius of 101 mm) the value K 3 obtained in our example is 80.1 mm (79% of R prim f ), this value taking into account many parameters such as the angle of the sensor f, of the attenuation (-4%) linked to the differential calculation and which may slightly depend on the cyclist's effort diagram.
  • This coefficient K 3 can be advantageously determined by a preliminary calibration in the laboratory with typical cyclists.
  • a bicycle equipped with the system without assistance is positioned on an ergometer having a braked and instrumented rear wheel making it possible to determine the average torque exerted on the crankset by the cyclist who is asked to perform a typical pedaling effort.
  • the signal RR x 'of the sensor is recorded which is processed by the differential measurement and arithmetic averaging algorithm, it is then sufficient to calculate the ratio between these two values to obtain K 3 , taking care to calculate it for each plateau used.
  • This coefficient K 3 is entered into memory for each plateau value used so that the microcontroller can select the correct coefficient according to the plateau used.
  • This assist torque control cycle can be regenerated, for example, at a rate of at least 10 to 100 times per revolution. If it is managed over time, it is desirable for the regeneration frequency to be sufficient in particular when the pedaling rate is high so that it continues to follow the rapid changes of the cyclist.
  • the sensor according to the invention has been described here in the particular context of measuring torque developed by a cyclist pedaling on an electrically assisted bicycle. It is easily understood that this use is not the only one which can be made of this sensor.
  • this sensor can be used for measuring the torque developed by the cyclist in the context of a normal bicycle, that is to say without electric assistance.
  • the angular positioning of the sensor will be identical to what has been described above.
  • the operation of the sensor and the Wheastone bridge will also be identical. Only the processing of the signal measured by the wheastone bridge to arrive at the calculation of the engine torque of the cyclist will differ insofar as it will no longer be necessary to subtract the torque supplied by the engine.
  • This same sensor can also be used for measuring the force to which any rotating shaft is subjected.
  • a bicycle crankset assembly may include a sensor according to the invention around each of the bearings of the bottom bracket.

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Abstract

Capteur d'effort qui comprend une portion périphérique (34), une portion centrale (35) et un premier cadre (33) reliant une section haute (342) de la portion périphérique (34) à une portion haute (352) de la portion centrale (35); ladite portion centrale (35) comportant un siège (351) prévu pour recevoir la bague extérieure d'un roulement afin de monter un arbre en rotation autour d'un axe Z, ledit cadre (33) comportant une âme (333) encadrée par deux bras (331, 332) sensiblement parallèles l'un avec l'autre de telle façon que ladite section haute (342) de la portion périphérique (34), ladite portion haute (352) de la portion centrale (35) et les deux bras (331, 332) forment un parallélogramme.

Description

Description
Titre : Capteur de mesure d'effort
L'invention concerne un dispositif de mesure de l'effort exercé sur un arbre entraîné en rotation. Notamment, l'invention concerne un corps d'épreuve servant à la mesure des efforts sur un arbre tournant. Dans le domaine des vélos, l'arbre de pédalier est un arbre tournant qui est entraîné en rotation par les pédales et auquel peut s'appliquer le dispositif de mesure de l'invention. Cependant, l'invention ne se limite pas à la seule application de la mesure d'effort sur un arbre de pédalier. Néanmoins, dans la suite de la description, l'invention sera décrite pour une application à la mesure de couple d'un arbre de pédalier de vélo et notamment d'un arbre de pédalier d'un vélo à assistance électrique.
La mesure du couple qui s'exerce sur un arbre tournant est plus délicate à réaliser que la mesure d'un couple ou d'un effort qui s'exerce sur un élément fixe. En effet, si, pour la mesure d'effort, des jauges d'extensiométrie sont collées sur l'arbre tournant, il est nécessaire de prévoir de transmettre les mesures faites sur l'arbre à un boîtier extérieur afin de traiter et/ou de visualiser le signal. Il convient alors soit d'ajouter un collecteur tournant, lequel générera des frottements et des parasites, ou soit de disposer une électronique de traitement tournante avec l'axe comportant sa propre alimentation ainsi qu'un système de transmission de données sans fil pour récupérer les informations, ce qui est complexe, onéreux, peu fiable et susceptible de créer un délai dans le traitement du signal.
Afin d'éviter d'avoir recours à un collecteur tournant ou à un dispositif de transmission sans fil, il a été envisagé de déporter la mesure pour que celle-ci ne se fasse pas directement sur l'arbre tournant mais au niveau d'une bague extérieure de roulement. Cette dernière possibilité a notamment été utilisée dans le brevet US 8 117 923. Ce document décrit un capteur permettant de mesurer l'effort d'un roulement de boîtier de pédalier, notamment pour mesurer la composante Fx (tension de chaîne). Le capteur comprend deux jauges d'extensiométrie disposées à +/- 45° sur un bras supportant sensiblement la moitié de l'effort du roulement (moitié en haut / moitié en bas). Ce capteur présente cependant de nombreux inconvénients. Tout d'abord, comme les jauges sont montées sur la paroi extérieure du petit bras, elles sont très sensibles aux moments de flexion et de torsion auxquels ce bras est soumis. Or, un bon capteur ne doit être sensible qu'à la composante que l'on cherche à mesurer, ici Fx, et être le plus insensible possible aux autres composants Fy/Fz/Mx/My/Mz. Pour atténuer la sensibilité aux moments, Mx/My/Mz, deux paires de jauges sont disposées sur deux faces opposées du bras, ce qui complexifie leur collage et augmente notablement le coût. De plus, le gradient de déformation du bras dans la zone où les jauges sont collées est très important, ainsi toute imprécision dans le collage des jauges a une grosse influence sur la sensibilité de la mesure.
Le capteur décrit dans le document US 8 117 923 présente de très larges ouvertures qui complexifient non seulement l'étanchéité du boîtier de pédalier, mais également la protection des jauges elles-mêmes. En effet, les jauges de déformation qui mesurent des m-déformations se traduisant par des m-variations de résistance, nécessitent une très bonne protection contre l'humidité et les agressions chimiques et mécaniques. Dans les solutions de l'art antérieur et notamment dans US 8 117 923, les jauges sont apparentes et nécessitent l'emploi de vernis ou de gels pour les protéger. Tous ces produits ont de multiples inconvénients. Ils sont en général chers, et leur mise en oeuvre est également coûteuse car nécessitant des temps de polymérisation assez longs. Ils sont sujet à des détériorations, au cours du temps, causés par leur environnement (UV, Ozone, Graisses, Humidité, Acide/Bases...). Du fait de leur faible résistance mécanique, ils sont très vulnérables vis-à-vis des agressions extérieures (coup de tournevis, jet de pierre, chutes du vélo, transport, maintenance...). De plus, malgré le faible module des gels employés, leurs propriétés varient avec la température et le vieillissement et peuvent induire un frottement visqueux perturbant les offsets et l'étalonnage du capteur.
Enfin, le document US 8 117 923, qui décrit un capteur dont l'objectif est de mesurer la tension de chaîne, mesure en réalité la résultante horizontale exercée sur le roulement à billes. Or, si cette résultante est bien principalement influencée par la tension de chaîne, notamment quand le plateau est petit, ce n'est pas exclusivement le cas. En effet, cette résultante horizontale est aussi influencée par la composante horizontale générée par le cycliste. Par conséquent, une action horizontale dirigée vers l'avant sur la pédale droite vient affaiblir le signal alors que la même action sur la pédale gauche vient augmenter le signal. C'est pourquoi, la mesure fournie par le capteur décrit dans ce document sera beaucoup plus sensible à l'action de la pédale gauche plutôt qu'à la pédale droite. Dans le cas où, on souhaiterait utiliser un tel capteur dans la boucle d'asservissement d'un moteur d'assistance pour vélo, cette variation de sensibilité aux actions des pédales droite et gauche, conduirait une variation de la consigne de commande du moteur au cours d'une rotation de pédalier.
Les capteurs en général possèdent différents défauts et un des principaux défauts est dû au manque de stabilité de l'offset, qui dérive bien souvent avec la température et la stabilité thermique du capteur, pour avoir une dérive d'offset relative minimale il est souhaité que le signal en pleine échelle du capteur soit élevé afin que l'offset relatif soit le plus faible possible, en d'autres termes il faut dimensionner le capteur au plus près de la pleine échelle maximum à mesurer.
Dans le domaine du cycle, les capteurs sont également utilisés pour mesurer au niveau du moyeu de la roue arrière de la bicyclette, le couple généré par la transmission. Le document US 6 418 797 décrit notamment un dispositif qui permet une telle mesure. Dans ce dispositif, on rajoute, à un moyeu arrière classique de bicyclette, une pièce supplémentaire, appelée moyeu interne, qui s'intercale cinématiquement entre le corps de roue libre et le corps de moyeu. La mesure, grâce à des jauges de contrainte, de la déformation de cette pièce supplémentaire (figures 11-13) ou d'un corps d'épreuve placé entre cette pièce supplémentaire et le corps de moyeu (figures 3-10) permet de déterminer le couple transmis. Cette solution présente l'inconvénient de nécessiter la mise en place d'une électronique tournante qui doit transmettre le signal et être alimentée par une source d'alimentation propre.
L'objectif de l'invention est de fournir un capteur permettant de mesurer les efforts auxquels est soumis un arbre tournant qui ne présente pas les inconvénients de l'art antérieur.
L'objectif de l'invention est également de fournir un capteur qui lorsqu'il est installé au niveau du boîtier de pédalier d'un vélo permet de déterminer le couple transmis par le cycliste à la roue motrice du vélo. L'objectif de l'invention est également de fournir un capteur et une méthode permettant de mesurer, le plus précisément, le plus efficacement, de la manière la plus fiable et à un moindre coût le couple que transmet le cycliste à la roue motrice du vélo.
En particulier et dans le cas d'un vélo à assistance électrique, l'objectif de l'invention est d'optimiser la détermination de l'effort fourni par le cycliste, afin de piloter efficacement le moteur d'assistance.
L'objectif de l'invention est atteint par la fourniture d'un capteur d'effort qui comprend une portion périphérique, une portion centrale et un premier cadre reliant une section haute de la portion périphérique à une portion haute de la portion centrale ; ladite portion centrale comportant un siège prévu pour recevoir la bague extérieure d'un roulement afin de monter un arbre en rotation autour d'un axe Z ; ledit cadre comportant une âme encadrée par deux bras sensiblement parallèles l'un avec l'autre de telle façon que ladite section haute de la portion périphérique, ladite portion haute de la portion centrale et les deux bras forment un parallélogramme. L'épaisseur de l'âme, selon l'axe Z, est inférieure à 50 % de l'épaisseur des bras. Ainsi les bras sont solides et offrent une bonne résistance aux sollicitations orientées selon leur plus grande longueur (axe Y'). En revanche, la structure de type parallélogramme de la structure du cadre facilite sa déformation en réponse à des sollicitations orientées perpendiculairement aux bras (axe X'). Enfin la faiblesse relative de l'âme, n'offre que peu de résistance aux déformations de la structure du cadre.
L'un des avantages que présente le capteur d'effort selon l'invention par rapport à certaines solutions de l'art antérieur qui permettent de mesurer le couple qui s'exerce sur un arbre tournant est que le capteur, lui-même, n'est pas une pièce tournante et qu'il est, par conséquent, beaucoup plus facile à instrumenter à l'aide de jauges de contrainte.
L'objectif de l'invention est également atteint par la fourniture d'un ensemble de pédalier prévu pour être monté sur un vélo, ledit ensemble comportant au moins un roulement servant au montage d'un arbre de pédalier et un capteur d'effort placé autour de la bague extérieure dudit roulement, ledit capteur comportant un cadre haut et un cadre bas, les deux cadres étant diamétralement opposés le long d'un axe Y' et placés entre une portion périphérique et une portion centrale dudit capteur, l'un au moins des deux cadres servant à la fixation de jauges de contraintes, l'axe Y' fait avec l'axe vertical Y un angle f compris entre 10° et 30°, de préférence entre 20° et 25° ; et en ce que le cadre haut 33 est placé à l'arrière de l'axe vertical Y. Cette portion angulaire particulière du capteur optimise les valeurs de signal S délivré par celui-ci. Elle permet notamment de minimiser les différences existantes dans l'évolution du signal entre les deux phases : pédale droite descendante et pédale gauche descendante.
De préférence, l'âme, qui est en contact avec les deux bras avec la section haute de la portion périphérique et avec la portion haute de la portion centrale, fait partie avec les deux bras, la section haute et la portion haute d'une seule et unique pièce réalisée dans une même matière.
De préférence, l'âme est plane est orientée selon un plan radial, perpendiculaire à l'axe Z, et elle occupe une position centrale par rapport aux bras. L'âme est utilisée pour la mise en place des jauges de contrainte. De préférence, quatre jauges de contraintes sont collées sur l'âme.
Dans un mode de réalisation préféré un deuxième cadre sensiblement identique au premier corps d'épreuve relie la portion périphérique à la portion centrale, ledit premier et ledit deuxième cadre étant diamétralement opposés.
De préférence, un soufflet relie la portion périphérique à la portion centrale sur toute la circonférence à l'exception des zones occupées par le ou les cadres. Le soufflet garantit l'étanchéité du capteur sans gêner la déformation des cadres selon la direction X'.
Dans un mode de réalisation préféré le soufflet comporte une paroi interne au contact de la portion centrale, une paroi externe au contact de la portion périphérique et une paroi centrale reliant la paroi interne à la paroi centrale. La paroi interne et la paroi externe sont sensiblement planes et orientées selon un plan radial, perpendiculaire à l'axe Z, et la paroi centrale est sensiblement cylindrique.
De préférence, l'épaisseur des parois du soufflet est relativement fine, notamment comprise entre 0,5 mm et 0,8 mm.
Dans un mode de réalisation préféré, l'ensemble du capteur est réalisé d'une seule et même pièce, par exemple par usinage à partir d'un bloc, ou par impression 3D.
L'invention est également atteint par la mise en oeuvre d'un procédé de commande d'un moteur d'assistance électrique pour un vélo, lequel vélo étant équipé d'un ensemble de pédalier tel que décrit plus haut, lui-même équipé d'un capteur conforme au paragraphe ci-dessus. Dans ce procédé : le signal S généré par le capteur d'effort correspond à la composante selon un axe C', X' étant perpendiculaire à Y' et à Z, de l'action Rright s'exerçant sur un roulement droit de l'ensemble de pédalier, cette composante étant notée : FW- Total.
La partie de la composante F Total, qui est générée par le cycliste, F cyclist est égale à : FW-Cyclist = FW-Total - K1.K2.I ; (I est l'intensité consommée par le moteur d'assistance ; Ki, la constance de couple du moteur d'assistance et K2, un facteur dépendant du nombre de dents du plateau engrené par la chaîne de transmission).
A chaque tour de pédale, la valeur minimale de la composante, FW min, est stockée en mémoire ; en ce qu'à chaque instant, cette valeur minimale est retranchée à la portion de la composante générée par le cycliste, FW cyclist ; et en ce qu'une opération de moyennage est réalisée sur un multiple de demi-révolution de pédalier :
[Math. 1]
Figure imgf000006_0001
(n est le nombre de valeur d'échantillonnage)
Le procédé selon l'invention permet notamment de s'affranchir de l'influence de la tension à vides de chaîne et des différences de températures dans les mesures du couple généré par le cycliste. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit. Le dessin qui y est annexé, comprend ;
[Fig. 1] La figure 1 est une vue en perspective de la partie centrale d'un vélo.
[Fig. 2] La figure 2 est une vue en coupe du boîtier de pédalier.
[Fig. 3] La figure 3 est une vue de face partielle du boîtier de pédalier.
[Fig. 4] La figure 4 est une vue de face du capteur.
[Fig. 5] La figure 5 est une vue arrière du capteur.
[Fig. 6] La figure 6 est une vue en coupe A-A du capteur.
[Fig. 7] La figure 7 est une vue en coupe C-C du capteur.
[Fig. 8] La figure 8 est une vue en coupe B-B du capteur.
[Fig. 9] La figure 9 est une vue en coupe E-E du capteur.
[Fig. 10] La figure 10 est une vue arrière du capteur lorsque celui-ci est déformé.
[Fig. 11] La figure 11 est une vue coupe C-C du capteur déformé.
[Fig. 12] La figure 12 est une vue coupe B-B de capteur déformé.
[Fig. 13] La figure 13 est une vue de détail montrant l'arrière du capteur.
[Fig. 14] La figure 14 est une vue schématique du cablage de jauges de contrainte.
[Fig. 15] La figure 15 est une vue schématique du pédalier.
[Fig. 16] La figure 16 est un graphe représentant l'évolution typique de la tension à vide de la chaîne To en fonction du nombre de dents du pignon de la cassette de pignons arrière et ce pour un grand plateau de cinquante dents (pointillés) et pour un petit plateau de trente-quatre dents.
[Fig. 17] La figure 17 est un graphe montrant l'évolution des composantes exercées par l'action du cycliste sur la pédale droite.
[Fig. 18] La figure 18 est un graphe montrant le couple de pédalage exercé par le cycliste sur les deux pédales droite et gauche.
[Fig. 19] La figure 19 est une vue montrant l'évolution du signal du capteur lors d'un tour de pédalier, le capteur étant placé dans quatres différentes positions angulaires f = 0°/10°/23° et 30°.
[Fig. 20] La figure 20 est un graphe représentant une évolution globalement croissante du couple de pédalage du cycliste en fonction de l'angle b de la manivelle, afin d'expliquer une procédure d'asservissement du couple d'assistance.
[Fig. 21] La figure 21 est un schéma synoptique expliquant le principe d'asservissement du dispositif de mesure d'effort et de contrôle du moteur selon l'invention.
[Fig. 22] La figure 22 est un graphe représentant la variation des composantes horizontales qui s'exercent sur le capteur.
La figure 1 illustre un vélo 1 à assistance électrique intégrant un ensemble de pédalier selon la présente invention. De manière connue, ce vélo comprend un cadre sur lequel sont fixées deux roues. La figure 1 est une vue partielle du vélo sur laquelle seuls sont visibles, le tube oblique 13, le tube de selle 12, les bases arrière 14 ainsi que le boîtier de pédalier 2 qui se trouve à l'intersection de ces différents éléments de cadre. La roue arrière (non représentée) est motrice et est entraînée grâce à une chaîne de transmission 19 par le pédalier 15 constitué d'un arbre 4 à l'extrémité duquel sont fixées des manivelles 16, 16' et deux pédales 17, 17'. La manivelle droite 16 comprend une étoile 161 dont les extrémités servent à la fixation d'un plateau denté 18.
La figure 2 montre en coupe l'intérieur du boîtier de pédalier 2. Dans l'exemple décrit, il s'agit d'un vélo à assistance électrique à moteur central, c'est-à-dire placé à proximité du pédalier 15. Plus précisément, comme on le verra plus loin dans le texte, le moteur d'assistance est, non seulement, situé à l'intérieur même du boîtier de pédalier 2, mais il est coaxial avec l'arbre 4 du pédalier 15 et entraîne ce dernier directement. Il est cependant à noter que ces caractéristiques ne sont pas limitatives et que le capteur d'effort selon l'invention pourra être utilisé pour d'autres types de vélo à assistance électrique (moteur avant, moteur arrière, galet de friction, moteur central parallèle, etc.), pour des vélos sans assistance ou encore, de manière plus générale, pour mesurer les efforts auxquels peut être soumis un arbre tournant.
Le boîter de pédalier 2, qui est un élément intégré au cadre du vélo 1 sert à loger le carter 21 à l'intérieur duquel prennent place le moteur 23, le réducteur 25, des moyens de mesure et de commande et qui est traversé par l'arbre 4 du pédalier 15. La puissance mécanique générée par le moteur 3 est transmise au réducteur 25 puis à l'arbre 4 par l'intermédiaire d'un mécanisme de roue- libre 26. Sur son côté droit, c'est-à-dire du côté du plateau denté 18, le carter est fermé par le capteur 3. Sur son côté gauche, il est fermé par un couvercle 22. Le couvercle 22 est fixé au carter 21 par des vis 221. Le couvercle 22 ainsi que le capteur 3 possèdent en leur centre une ouverture circulaire à la périphérie de laquelle est ménagé un siège pour la bague extérieure d'un roulement à billes. Le roulement droit 28, placé dans le capteur 3, et le roulement gauche 28' placé dans le couvercle 22 assurent le montage rotatif de l'arbre 4 du pédalier 15 autour de l'axe Z.
Lors de montage du vélo, le carter 21 et tous les différents éléments qu'il contient est inséré à l'intérieur du boîtier de pédalier du côté droit de celui-ci jusqu'à ce que le couvercle 22 vienne en appui contre la collerette 291 qui ferme l'intérieur du boîtier 2 sur son côté gauche. Des vis (non visibles sur la coupe de la figure 2) fixent la collerette 291 et le carter 21, assurant ainsi le maintien du carter dans le boîtier de pédalier.
Le boîtier de pédalier 2 comporte un capteur angulaire (non-représenté) permettant de déterminer la position angulaire absolue des manivelles, mesurée par l'angle b représenté à la figure 13. Ce type de capteur peut être réalisé par une couronne aimantée tournant avec le pédalier en regard d'un capteur magnétique à effet Hall fixé sur le boîtier.
La figure 3 montre en vue de face partielle, le boîtier de pédalier. Dans cette vue, la manivelle droite 16 ainsi que la partie centrale du plateau 18 ont été coupées afin que soit visible le capteur 3 et le positionnement angulaire de celui-ci.
Les figures 4 à 9 montrent le capteur 3 en détail. La figure 4 est une vue de la face externe, la vue 5 est une vue de la face interne. La figure 6, respectivement la figure 9, est la vue en coupe A-A, respectivement en coupe E-E, selon l'axe Y' et la figure 7, respectivement la figure 8 est la vue en coupe C-C, respectivement en coupe B-B, selon l'axe X'. Le capteur assure plusieurs fonctions distinctes. Tout d'abord, il ferme le carter 21 et en assure l'étanchéité sur le côté droit de celui-ci. Ensuite, il participe au montage rotatif de l'arbre 4 du pédalier. Pour ce faire, un siège 351 est ménagé au centre de celui-ci. Le siège 351 est une surface cylindrique dont la hauteur fi35i selon l'axe Z est égale à la hauteur du roulement. Enfin, au moins une des zones du capteur constitue un corps d'épreuve sur lequel sont collées des jauges de contraintes.
Le capteur 3 a sensiblement une forme annulaire. Il comprend une portion périphérique 34 qui est fixée par les vis au carter 21 et/ou au boîtier de pédalier 2. Cette portion périphérique 34 qui s'étend sur toute la circonférence du capteur, est relativement rigide et sensiblement indéformable. Le capteur comprend également une portion centrale 35 de forme annulaire, relativement rigide et sensiblement indéformable. C'est dans cette portion centrale 35 qu'est ménagé le siège 351 du roulement droit 28.
La portion périphérique 34 et la portion centrale 35 sont reliées par deux cadres 33, 33' diamétralement opposés. Le cadre haut 33, respectivement bas 33', relie les sections hautes, respectivement basses, des portions périphérique 34 et centrale 33. Chaque cadre 33, 33' est constitué de deux bras 331, 332, sensiblement parallèles l'un avec l'autre, et d'une âme 333 placée entre les deux bras. Selon l'axe Z, c'est-à-dire l'axe de rotation du pédalier, les bras 331, 332 sont placés au regard du siège 351 du roulement et ont une hauteur fi33i sensiblement équivalente à la hauteur de ce-dernier h35i-
Le bras droit 331, le bras gauche 332, la section haute 342 de la portion périphérique 34, et la portion haute 352 de la portion centrale 35 constituent ensemble une armature de forme sensiblement rectangulaire qui sous l'effet d'un effort orienté suivant l'axe X' est susceptible de se déformer jusqu'à prendre la forme d'un parallélogramme. L'âme 333 présente une épaisseur 11333 beaucoup plus petite que la hauteur fi33i des bras 331, 332.
Les cadres 33 et 33' sont les deux corps d'épreuve possibles du capteur, c'est-à-dire l'endroit où seront placées les jauges de contraintes.
Le capteur 3 comprend également deux soufflets 36, 36' qui relient la portion périphérique 34 à la portion centrale entre les deux cadres 33, 33'. Ces deux soufflets présentent une rigidité mécanique bien moindre que celle des cadres. La figure 7 (coupe C-C) montre le profil du soufflet 36. Celui-ci comporte une paroi interne 361, qui est au contact de la portion centrale 35, une paroi externe 362, qui est au contact de la portion périphérique 34 et une paroi centrale 363 qui relie les deux parois précédemment citées. Les parois interne 361 et externe 362 sont sensiblement planes et parallèles l'une avec l'autre, mais distantes, l'une de l'autre, d'une valeur qui correspond sensiblement à la hauteur fi3 du capteur 3. La paroi centrale 363 est sensiblement cylindrique. Les épaisseurs des différentes portions du capteur qui constituent le soufflet, à savoir les parois interne, externe et centrale sont faibles relativement à l'épaisseur des bras.
La figure 8 (coupe B-B) montre le profil du soufflet 36 lorsque celui-ci est au contact du bras 331. Dans cette zone, on peut voir que le soufflet comporte une paroi supplémentaire 369 qui prolonge le bras 331. Cette configuration permet au soufflet 36 de se déformer jusque dans son extrémité haute, respectivement basse, placée contre le cadre haut, respectivement bas. Le capteur 3 est de préférence, monobloc, et réalisé en une seule matière. Par exemple, on pourra l'usiner dans la masse en partant d'une barre en alliage d'aluminium 7075 ayant une résistance élastique élevée et de bonnes propriétés à la fatigue. Dans ce cas, il est usinable directement sur un tour bi-broche sans reprise ultérieure. La réalisation du soufflet 36 se faisant alors, d'une part, par fraisage de deux cavités externes 364, 364' depuis la face externe du capteur et d'autre part, par fraisage de cavités internes 365, 365' depuis la face interne de capteur 3. Chacune des cavités externes 364, 364' a la forme d'une portion d'anneau et dont les extrémités viennent longer les bras 331, respectivement 33 . Les cavités internes 365, 365' ont également la forme d'une portion d'anneau. Le fraisage des cavités doit se faire avec une très grande précision, dans la mesure où le fond de la cavité externe 364, respectivement de la cavité interne 365, définit la paroi interne 361, respectivement la paroi externe 362 et que la paroi centrale 363 sépare la cavité externe 364 de la cavité interne 365. Plus les parois sont fines plus elles seront aptes à se déformer, en revanche plus l'usinage sera compliqué à réaliser, en pratique, les différentes parois du soufflet ont une épaisseur comprise entre 0,5 mm à 0,8 mm, de préférence environ égale à 0,7 mm.
Les deux cadres 33, 33' disposés symétriquement de part et d'autre du roulement 28 et reliant la bague extérieure du roulement au carter du boîtier peuvent reprendre très rigidement les différents moments ainsi que toutes les composantes à l'exception de la composante de cisaillement du cadre 33 qui sera reprise par l'âme centrale 333 reliant l'intérieur du cadre de manière analogue à la toile d'une peinture dans son cadre.
Avec une telle disposition, lorsque l'on transmet un effort de cisaillement entre deux bords opposés du cadre on va générer des déformations principales à +/- 45°. Cela est facilement compréhensible en imaginant un carré, que l'on soumet à deux efforts de cisaillement opposés orientés selon deux de ces côtés opposés. Le carré va alors se déformer en losange et une de ses diagonales s'allongera pendant que l'autre se rétrécira, générant ainsi des déformations de traction et de compression opposées à +/- 45° et quasiment homogènes sur toute la surface du carré permettant de tolérer une grande tolérance de positionnement des jauges car le gradient de déformation n'est pas important dans la partie centrale du cadre.
Les figures 10, 11 et 12 illustrent en vue respectivement similaire aux figures 5, 7 et 8, le capteur déformé. Ces figures correspondent à une déformation générée par l'application selon l'axe X d'un effort F, d'amplitude 4500 N, sur le roulement. Pour rendre plus visibles les déformations, leur amplitude est multipliée par 70 sur ces figures. On peut notamment voir que les cadres haut et bas se déforment en gardant une forme de parallélogramme, si bien que l'âme 33 qui est emprisonnée entre les quatre membres du cadre 331, 332, 342, 352 va subir des contraintes de cisaillement dont on verra plus loin qu'elles seront mesurées par les jauges de contraintes.
On note, en outre, que le soufflet 36 est suffisamment flexible pour qu'il puisse beaucoup se déformer. Lors de la conception du capteur, le dimensionnement du soufflet est fait pour que les contraintes liées aux différents chargements représentatifs des efforts maximum en service n'excèdent pas 250 MPa, de préférence, n'excède pas 160 MPa afin que le capteur ait une endurance illimitée en fatigue alternée. Comme le capteur 3 est symétrique haut/bas (symétrie de plan horizontal), l'effort horizontal transféré par le roulement central 28 va être transmis de manière égale par un effort tranchant traversant le cadre supérieur 33 et un effort tranchant traversant le cadre inférieur 33', la rigidité du soufflet 36 étant presque négligeable on peut considérer qu'environ la moitié de l'effort tranchant sera transmis par chacun des cadres 33, 33'.
Dans un premier mode de réalisation de l'invention, seul le cadre supérieur 33 fait office de corps d'épreuve et est équipé avec des jauges de contrainte. La figure 13 illustre le montage des quatre jauges de contrainte Jl, J2, J3, J4 qui sont collées sur la face interne de l'âme 333. Les jauges pourraient également être fixées sur le cadre inférieur 33'. Dans ce cas le signal recueilli sera identique mais de signe opposé.
Les jauges sont montées en pont de Wheatstone complet. Le pont complet est alimenté par une borne P+ et P- et comporte deux bornes de signal S+ et S- qui donnent directement la référence de tension différentielle du signal de mesure (à l'offset près). Les quatre jauges comportent de préférence un plan de symétrie médian avec une alternance d'orientation à +45°/-45°/+45%45°, les deux jauges des extrémités sont ensuite raccordées entre elles.
Ce type de capteur s'avère quasiment symétrique en traction/compression et il n'y a donc pas de différence notable à positionner le pont complet dans le cadre du haut ou du bas si ce n'est d'inverser le signe du signal, ce qui revient simplement à permuter S+/S- ou P+/P- pour retrouver le même signe.
La forme particulière du capteur 3 selon l'invention, ayant deux cadres diamétralement opposés, permet d'avoir un capteur qui n'est sensible qu'à l'effort « horizontal » (perpendiculaire à la diagonale où se trouvent les deux cadres 33). On note d'ailleurs que les mesures effectuées sur le capteur 3 révèlent une sensibilité relative verticale/horizontale de 0,3% et une sensibilité relative axiale de 0,5%, quant à la sensibilité aux trois moments Mc, Mg et Mz, elle est également très faible. Cette faible sensibilité aux moments est également une conséquence du fait que le capteur 3 est monté sur la bague extérieure d'un roulement et qu'un roulement à billes a un couple de frottement suivant son axe (Mz) extrêmement faible et que les deux autres moments (Mc, Mg) restent très faibles car ils n'admettent que très peu de moment de déversement.
Le capteur décrit dans les figures donne un signal de mesure de 2,5 mV/V en pleine échelle pour un effort horizontal de 4500 N, son hystérèse n'est que d'environ 0,1% entre la montée en effort et la descente.
Comme dit plus haut, le capteur 3 est réalisé en alliage d'aluminium. Il peut également être réalisé en acier allié. Dans ce cas, à dimensions identiques, la sensibilité sera environ trois fois inférieure (rapport des modules d'élasticité) mais la pleine échelle de mesure d'effort horizontal sera sensiblement multipliée par trois, la fonction de soufflet déformable reste alors parfaitement fonctionnelle.
Avec un capteur 3 réalisé en alliage d'aluminium, un effort horizontal maximal de 4500 N produit un déplacement en cisaillement du cadre de l'ordre de 0,06 mm, assurant ainsi une très bonne rigidité au capteur. La membrane déformable du soufflet, qui comprend les différentes parois est conçue dans ce mode de réalisation avec une épaisseur nominale de 0,7 mm, elle possède un périmètre suffisamment long pour être très souple et ainsi avoir un niveau de contrainte maxi inférieur à 160 MPa sous la charge maximale de 4500 N, lui assurant une durée de vie en fatigue illimitée sous ce chargement alterné.
La zone la plus critique en termes de conception est sans doute la zone de raccordement des bras 331, 332 du cadre 33 avec la portion périphérique 34. Cette zone assez concentrée a un niveau de déformation projetée sur un plan perpendiculaire à l'axe très dense et il est nécessaire de réaliser une zone de membrane sensiblement cylindrique et fine lui permettant de se déformer en cisaillement sans monter à un niveau de contrainte élevé. Ainsi, la portion terminale 3631 de la paroi centrale 363 qui assure le raccordement entre cette dernière et le bras 331, respectivement 332, est cylindrique. Cette portion terminale 3631 est bordée par une cavité 366. Cette cavité est réalisée ici à l'aide d'une fraise hémisphérique de diamètre 2,5 mm assurant un rayon de raccordement de 1,25 mm suffisant pour ne pas que les contraintes deviennent excessives. La profondeur de l'usinage est ici variable et est plus important dans la portion distale 3661 de la cavité 366, celle jouxtant la cavité interne 365, que dans la portion proximale 3662, c'est-à-dire celle placée directement à proximité du bras 331. Cette configuration a pour effet de réduire la rigidité transversale de la portion terminale 3631 réduisant ainsi les contraintes à la base du cylindre.
La figure 14 décrit la chaîne de mesure utilisée avec le capteur de l'invention. Comme il est rappelé ci-dessus, les quatre jauges sont montées en pont de Wheatstone. Un tel montage est couramment utilisé en extensiométrie. Les quatre résistances sont montées dans une boucle en série, représentées schématiquement par un carré, une diagonale est alimentée par une tension continue E et l'autre diagonale mesure un signal DE qui est proportionnel aux variations de résistance des quatre branches, suivant la formule :
[Math. 2]
Figure imgf000012_0001
La tension E appliquée au pont est généralement une tension continue de quelques volts (5V) mais peut être échantillonnée afin de réduire Réchauffement par effet joule et la consommation du pont. Les résistances sont composées de jauges de déformations communément appelées jauges de contraintes, dont la résistance électrique varie proportionnellement à la déformation longitudinale e (e = Dί/L) de la grille de cette jauge suivant la loi :
[Math. 3]
AR AL
T = K ~
Formule dans laquelle le facteur de jauge, K, est fonction du matériau de la jauge mais généralement de l'ordre de 2,1.
Pour obtenir un pont ayant une très bonne sensibilité, il est souhaitable de réaliser un pont complet ayant quatre jauges actives avec par exemple les deux jauges J1 et J3 travaillant en extension et les deux autres jauges J2 et J4 travaillant en compression. Sachant que la variation de résistance des jauges est également fonction de leur température, il est fortement souhaitable de monter ces jauges sur un corps d'épreuve ayant une température homogène ou de les monter au moins deux à deux sur un support homogène en température, ce type de montage permet de faire un pont théoriquement auto-compensé en température, qui permet de ne pas avoir de variation de signal avec la température. Néanmoins, une sonde de température peut être intégrée en plus sur la jauge pour réaliser une compensation d'ordre supérieure si l'auto-compensation s'avérait insuffisante.
Les petites variations de résistances liées aux tolérances de fabrication des jauges ou aux contraintes résiduelles induites lors du collage font qu'il faut réaliser un offset du pont afin d'ajouter ou de retrancher une constante pour compenser le signal mesuré et avoir un signal strictement proportionnel à l'effort appliqué sur le corps d'épreuve du capteur.
On cherchera à maximiser le signal du pont afin de limiter l'amplification nécessaire à son conditionnement. C'est pourquoi, il est souhaitable de maximiser la déformation subie par les quatre jauges actives. Toutefois, les déformations ne doivent pas dépasser trois limites liées à la résistance élastique et la résistance à la fatigue du matériau du corps d'épreuve et la résistance en fatigue du matériau résistif des jauges.
En effet, la résistance élastique du corps d'épreuve, ici l'âme 333, doit être telle qu'il ne se crée pas de déformation plastique ou d'hystérèse lors de cycles de chargements importants. De préférence on choisira de réaliser le capteur dans un matériau ayant un bon niveau de déformation élastique. De plus, il ne doit pas y avoir de risques de rupture en fatigue du corps d'épreuve sous des cycles de chargements répétés. A cet effet, il convient de bien dimensionner le corps d'épreuve afin d'éviter des concentrations de contrainte pouvant être critiques en fatigue. Les alliages d'aluminium des séries 2000 et 7000 ou les aciers alliés traités thermiquement sont bien adaptés pour répondre à ces deux exigences.
D'autre part, il faut limiter la déformation admissible des jauges pour que leur grille ne se rompe pas en fatigue. On admet généralement qu'avec les meilleurs matériaux utilisés pour réaliser les jauges, il faut limiter la déformation à +/- 1200 pm/m dans le cas d'une sollicitation ondulée et à +/- 1300 pm/m dans le cas d'une sollicitation alternée de traction afin que la durée de vie du capteur soit quasi-illimitée. C'est bien souvent cette troisième limite qui est critique dans le dimensionnement d'un pont de jauges. Dans le cas d'un capteur ayant quatre jauges actives, et en prenant un facteur de jauge typique de 2,1, on obtient un signal Maxi en pleine échelle d'environ 2,5 mV/V (2,1x1200.10-6).
Enfin, une résistance ajustable de faible valeur peut être ajoutée en série sur une des branches (positive ou négative) de l'alimentation, afin de calibrer lors d'une procédure d'étalonnage la sensibilité du capteur à une valeur très précise afin d'éviter de devoir rentrer un coefficient de calibration au microcontrôleur propre à chaque capteur. Cette mise en place d'une résistance en série a pour inconvénient d'atténuer légèrement la sensibilité du capteur.
Comme on peut le voir à la figure 14, le pont de Wheastone, équipé de quatre jauges actives, est alimenté par une tension continue E entre P+ et P- et le signal de mesure est capté entre S+ et S-, ce signal est ensuite amplifié à l'aide d'un amplificateur différentiel 72, puis l'offset du pont est retranché avant que ce signal analogique soit converti en signal numérique par un convertisseur Analogique/Digital 73 pour être traité par le microcontrôleur 74. L'étage d'amplification différentiel peut être directement intégré sur le composant du microcontrôleur avec une entrée différentielle de bas niveau et un gain programmable.
La procédure d'offset peut être avantageusement traitée numériquement directement par le microcontrôleur, cette méthode nécessite toutefois une amplification limitée pour ne pas saturer le signal et une conversion A/D sur une plus grande étendue incluant la pleine échelle de mesure plus l'amplitude d'offset, une conversion sur 11 aux 12 bits permet d'obtenir une excellente résolution.
La figure 15 décrit schématiquement le boîtier de pédalier ainsi que l'ensemble des forces auxquels les différents éléments sont soumis. Les points A et B correspondent respectivement aux liaisons pivots assurés par les roulements 28 et 28'. En isolant le pédalier nous trouvons les six actions suivantes :
Action de la jambe gauche transmise au travers de l'axe de la pédale gauche 17', nous pouvons la modéliser comme une force PLeft passant par l'axe et le plan médian de la pédale gauche que nous pouvons décomposer en une composante horizontale PLx et une composante verticale Pi_y (nous négligerons la composante axiale qui ne génère pas de couple) ;
Action de la pédale droite 17, analogue à la pédale gauche que nous modélisons comme une force Pright passant par l'axe et le plan médian de la pédale droite, nous pouvons la décomposer également comme une composante horizontale PRX et une composante verticale Pry ;
Action de la chaîne 19 sur le plateau 18. Celle-ci se décompose en deux actions : l'action du brin inférieur 192 de chaîne 19 de tension To-chain qui correspond à la tension à vide de la chaîne dans une direction sensiblement horizontale vers l'arrière (la composante axiale est négligée) et l'action du brin supérieur 191 de la chaîne qui correspond à la superposition de la tension à vide To et de la tension motrice de la chaîne Tchain (la composante axiale est également négligée) ;
Action du roulement droit R ght, qui peut être modélisée comme une liaison annulaire que nous pouvons décomposer selon une direction horizontale RRX et une direction verticale RRy, nous pouvons noter que ce roulement étant très proche du plateau de chaîne il sera donc très influencé par la tension de chaîne ;
Action du roulement gauche Ri_eft, qui peut être modélisée comme une liaison annulaire que nous pouvons décomposer selon une direction horizontale RLX et une direction verticale Ri_y ; et
Action du moteur d'assistance pouvant être modélisée comme un couple moteur pur (noté Torque sur le schéma) autour de l'axe de rotation Z, à noter que d'après la convention de signe utilisé sur le schéma, un couple moteur sera ici négatif.
Le couple moteur, Cmoteur, du pédalier est directement lié à la tension de la chaîne, Tchain, par la relation suivante :
[Math. 4]
Cmoteur
Tchain = avec r = rayon primitif du plateau = N.r/2tt
r On a donc la relation suivante :
[Math. 5
T chain avec /y = 0mbre de dents du plateau et p = pas de chaîne 12,7 mm
Figure imgf000015_0001
La tension à vide de la chaîne To représentée à la figure 15, peut se mesurer en l'absence de couple transmis, elle est assurée par un ressort positionné dans le dérailleur arrière et générant un couple sur la chappe des deux galets de dérailleurs. La figure 16 représente, en ordonnée, l'évolution typique de la tension de chaîne (exprimée en Newton), en fonction, en abscisse, du nombre de dents du pignon engrené au niveau de la roue arrière pour une cassette de onze pignons ayant des dentures comprises entre onze et trente dents, le graphe comporte une première courbe (grise continue) représentant des conditions d'engrènement sur un petit plateau de trente-quatre dents et une deuxième courbe (noire pointillée) représentant des conditions d'engrènement sur le grand plateau de cinquante dents. On peut noter à la lecture de ces graphes que la tension à vide de la chaîne évolue d'environ 3 N sur le petit plateau et qu'elle évolue d'environ 20 N sur le grand plateau, la variation totale de tension est d'environ 22 N comme représenté par la flèche encadrée située sur la gauche du graphe.
Il va de soi que cette évolution de tension dépend du type de dérailleur utilisé ainsi que des nombres de dents des pignons et des plateaux mais également de la longueur de chaîne.
La tension à vide s'applique sur chaque brin de chaîne supérieure et inférieure comme visible sur les figures 1, 3 et 15, ces deux actions sensiblement horizontales engendrent donc une réaction sensiblement égale à deux fois la tension de chaîne et donc à la superposition d'une valeur d'environ 2.To en composante RRX sur le palier droit au centre du roulement A. Lorsque l'offset du capteur est réalisé, l'effet de la superposition de cette composante va s'annuler, mais si le cycliste vient ensuite à changer de rapport de transmission, un écart de tension de chaîne va alors apparaître et l'écart par rapport à la valeur réalisée lors de l'offset ne sera plus compensé. Cet effet n'est pas très important dans le cas d'un usage en monoplateau car la variation de tension peut être inférieure à 3N ce qui correspond à un écart de couple équivalent de 0,4 N.m avec le petit plateau de trente-quatre dents, en revanche pour une utilisation en double plateau comme celle représentée à la figure B, il est très recommandé de corriger l'offset pour les changements de rapports afin d'être suffisamment précis, en effet un écart de tension de chaîne de 22 N sur le grand plateau de cinquante dents, se traduit par un écart de 47 N sur le roulement du capteur RRX ce qui correspond à un écart de couple équivalent de 4,45 N.m soit un écart de puissance de 37 Watts à 80 rpm ce qui peut donc introduire une trop grande imprécision.
Afin de résoudre cette imprécision, nous proposons trois méthodes :
La première s'applique si le contrôleur peut avoir accès à la combinaison de rapport instantanée utilisée par le cycliste, ce qui est le cas notamment avec des changements de vitesse à commande électronique permettant de diffuser l'information de cette combinaison de rapport, il suffit alors de charger dans une mémoire le contenu d'un tableau donnant une tension de référence en fonction du braquet actuel et d'en tenir compte également lors de l'offset afin de bien corriger. Cette première méthode nécessite de rentrer en mémoire au moins un tableau de valeur ou une loi d'évolution de tension en fonction de la combinaison de braquet et de bien respecter la recommandation de longueur de chaîne.
Une seconde méthode consiste à calculer le braquet en mesurant d'une part la vitesse du cycle à l'aide d'un capteur fixe disposé en regard de la trajectoire d'un ou plusieurs aimants tournant avec une des roues et de mesurer la cadence de pédalage à l'aide du capteur de position angulaire disposé dans le carter 21, le rapport entre ces deux vitesses de rotation va permettre de déterminer le rapport de transmission et donc de déduire la combinaison de rapport de transmission de manière certaine si l'on connaît par ailleurs le plateau utilisé, car il existe une zone de chevauchement entre les gammes de grand et petit plateau qui peut être problématique pour déterminer la bonne combinaison.
Une troisième méthode plus innovante repose sur l'analyse du cycle de pédalage du cycliste. En analysant l'allure du couple généré par un cycliste on peut se rendre compte que le couple instantané est une fonction périodique dont la période est rythmée par la poussée de la jambe droite puis de la jambe gauche. L'action de la tension à vide de la chaîne peut être avantageusement annulée en faisant une mesure différentielle, qui consiste à chaque cycle de pédalage de mesurer la valeur mini de la réaction et de la mettre en mémoire, puis de la soustraire à chacune des valeurs de mesure instantanée en donnant un résultat différentiel qui devient donc indépendant de la tension de la chaîne puisqu'elle se retrouve retranchée lors de la soustraction de la valeur mini. La valeur absolue peut ensuite être estimée en multipliant la valeur différentielle par un coefficient de proportionnalité puisque l'amplitude de l'effort de pédalage est bien sensiblement proportionnelle à la valeur moyenne de l'effort de pédalage. Cette mesure différentielle permet également d'annuler l'effet de variation d'offset lié aux variations de température.
Dans la suite de la description, nous allons donc considérer la tension de chaîne T0 comme étant négligeable et ne sera donc plus considérée.
Nous allons maintenant décrire l'équilibre des forces qui s'exercent sur le pédalier schématisé à la figure 15.
A chaque position angulaire des manivelles, représentée par l'angle b, l'équilibre statique du pédalier permet d'établir une relation entre les cinq composantes de force qui peuvent exercer un couple moteur (PRx,PRy,PLx,Pi_y, Torque) et les cinq autres composantes inconnues du bilan, à savoir (RRX, RRy, RLX, Ri_y,Tchain)· Cette relation peut se traduire sous forme d'une matrice (5X5) dont les vingt-cinq coefficients a qui dépendent de l'angle b se calculent en écrivant l'équilibre statique des six actions précédemment décrites. La résolution de l'équilibre statique montre que six coefficients sont nuis et que les coefficients aïs, a et ass sont indépendants de b.
[Math. 6]
Figure imgf000016_0001
Le couple moteur généré par le moteur d'assistance, Torque, peut être connu par la mesure de l'intensité du courant consommée par celui-ci. Il faudrait donc théoriquement connaître au minimum quatre mesures indépendantes pour pouvoir déterminer de manière sûre les quatre composantes des actions sur les pédales droite et gauche (PRx,PRy,PLx,Pi_y,) et résoudre complètement le système afin de pouvoir déduire de manière certaine le couple moteur.
Lorsque la chaîne est engagée sur le grand plateau de cinquante dents conformément à la figure 1, les coefficients de cette matrice valent pour notre exemple (Unité de force en N et Torque en N. mm).
[Math. 7]
Figure imgf000017_0001
Nous pouvons vérifier ici que le coefficient a55 vaut bien au signe près : ass = 2p/(N.r)
Nous pouvons par ailleurs constater que a12 = -au et que a52 = -a54 et que le rapport a12/a52 = 1,83/1,71 = 1,07 est constant et indépendant de b, ainsi lorsque l'effort de pédalage du cycliste est purement vertical, la tension de chaîne Tchain est toujours proportionnelle à la composante horizontale RRx, de sorte que la mesure de RRX permet dans ce cas de déduire aisément la tension de chaîne et donc le couple transmis.
En revanche, lorsque la composante de pédalage est horizontale, il n'y a plus proportionnalité entre la mesure RRX et la tension de chaîne Tchain car les rapports des coefficients an/asi de même que ai3/a53 ne sont plus indépendants de b et ces rapports sont même indéfinis pour b=90°, ainsi la mesure de RRX ne permet pas de recalculer la valeur de tension de chaîne.
Nous pouvons constater que le coefficient an a une valeur moyenne de -2,03 alors que le coefficient au a une valeur moyenne de 1,05, ainsi une action horizontale sur la pédale droite PRX provoque une réaction au roulement RRX beaucoup plus faible que sur la pédale gauche PLX (lorsque le pédalier aura tourné de 180°) de sorte que la mesure de la composante RRX privilégie une action horizontale sur la pédale gauche alors qu'elle défavorise presque deux fois plus (2,03/1.05=1,93) l'action sur la pédale droite.
Un des objectifs de l'invention est d'apporter une solution permettant de déterminer aisément le couple moyen transmis par le cycliste à partir de la mesure de la composante radiale RRX mesurée sur le roulement placé du côté du pédalier qui se trouve très sollicité par la tension de chaîne.
Dans la suite de la description en référence aux figures 17, 18, 19 et 20 nous allons nous intéresser exclusivement aux efforts liés au pédalage du cycliste en ne considérant donc pas de couple d'assistance, la composante "Torque" citée dans le calcul matriciel ci-dessus étant alors considérée nulle.
Le cycle de pédalage d'un cycliste est connu dans la littérature scientifique, le docteur Frédéric Grappe a publié plusieurs documents sur l'analyse du pédalage en cyclisme et la description suivante est basée sur les mesures d'efforts de pédalage détaillés dans son ouvrage "Cyclisme et optimisation de la performance" (2° édition/ Editions De Boeck Université 2009) particulièrement au chapitre 8 "Biomécanique du pédalage".
L'action des pédales droites et gauches sont très similaires et déphasées de 180°. La figure 17 présente l'évolution en fonction de l'angle b, des deux composantes d'efforts générés par la pédale droite PRX (horizontale) et PRy (verticale) ainsi que le couple M RZ résultant généré autour de l'axe du pédalier. On peut remarquer que pour un angle b compris entre 190° et 360° le couple est négatif et donc légèrement résistant.
L'analyse du pédalage d'un cycliste montre que l'action des pédales droites et gauches sont très similaires et déphasées de 180°.
La figure 18 représente l'évolution en fonction de b du couple de la pédale droite ( M Rz) déjà représenté à la figure 17 et de la pédale gauche (MLz) qui est sensiblement un simple déphasage d'un demi-tour, ainsi que leur somme qui représente le couple total (Mtotai) et enfin le couple moyen (Mavg) de pédalage qui vaut ici 41 N.m. On peut remarquer que le couple global est une fonction, d'allure sinusoïdale toujours positive, dont la période est la moitié de la période de pédalage.
L'allure des quatre composantes d'efforts (PRX, PRV, PLX, PLV,) issues de la figure 17, représente quatre signaux périodiques déphasés d'une demi-période entre droite et gauche. C'est pourquoi, il n'est pas forcément nécessaire de réaliser quatre mesures pour évaluer précisément le couple moyen transmis par la chaîne.
Lorsque l'on cherche à déterminer les efforts engendrés sur les roulements par l'application de ces efforts de pédalage il suffit d'appliquer la matrice ci-dessus aux valeurs d'entrée (PRX,PRV,PLX,PLV,) en fonction de b.
Dans le premier mode de réalisation de l'invention, du fait de la disposition des jauges (cf. figure 13), le signal fourni par le capteur est essentiellement représentatif de la composante de la réaction R ght selon la direction X', c'est-à-dire la direction perpendiculaire à la diagonale Y' qui relie les deux cadres 33, 33'. La position angulaire du capteur 3, repérée grâce à l'angle f sur la figure 3, a donc une influence sur l'amplitude et les variations du signal fourni par le capteur au cours d'un cycle complet. Cette rotation d'angle f fait que la mesure RRX' peut se calculer aisément à partir de RRX, RRY issus du calcul matriciel précédent :
[Math. 8]
Figure imgf000018_0001
La figure 19 montre les variations de l'effort mesuré en fonction de l'angle b, pour un plateau de cinquante dents conformément à la figure 1, et ce pour différentes valeurs de l'angle f comprises entre 0° et 30°. Lorsque f est nul, c'est-à-dire que l'axe Y' se confond avec l'axe Y, l'effort mesuré par le capteur est représenté par la courbe RRX 0°, représentée en trait fort sur le graphe de la figure 19, passe par une valeur nulle et devient négative dans la phase 100°< b <165°, ce qui pose déjà un problème de traitement du signal puisque le signe et le sens de variation sont opposés au reste de la course de b mais il en résulte aussi, que la valeur moyenne du signal mesurée lors de la descente de la pédale droite ( 0°< b < 180° ) sera inférieure à la valeur moyenne du signal lors de la descente de la pédale gauche ( 180°< b < 360° ). Ceci est illustré à la figure 19 par la matérialisation des aires signées Ai et A2, qui sont, respectivement, les aires sous la courbe RRX 0°, du signal dans les phases 0°< b < 180° et 180°< b < 360°. L'aire Ai représente l'image par la mesure RRX du travail du couple transmis par la pédale droite alors que l'aire A2 représente l'image du travail de la pédale gauche. Afin que les images du travail et donc de la contribution de chacune des deux jambes droite et gauche, soit bien représentative du travail effectif, il serait nécessaire que Ai = A2 soit Ai / (Ai + A2) = 0,5 (= 50%). On peut constater également que le signal maximum de la première phase 0°< b < 180° est obtenu pour b=85° et qu'il est nettement plus faible que le signal maximum de la seconde phase 180°< b < 360° qui est obtenu pour b=280° ce qui contribue également au déséquilibre des aires Ai et A2.
Le graphe de la figure 19 comporte également trois autres courbes représentées en traits pointillés, qui représentent le signal mesuré en inclinant le capteur 3 successivement d'un angle f de 10°, 23° et 30°, on peut remarquer que lorsque l'angle f augmente, le maximum de la première phase augmente alors que le maximum de la deuxième phase diminue et que dès f>10°, le signal ne devient plus négatif ce qui permet de faciliter son traitement. Augmenter l'angle f tend donc à augmenter l'aire Ai et diminuer l'aire A2 et donc à équilibrer et faire croître le rapport Ai / (Ai + A2).
Bien entendu, le signal mesuré et son évolution sont également dépendants du rapport de transmission de la chaîne (coefficients de la matrice différents). Les mesures de la figures 19 sont faites pour un rapport de transmission 50/11, c'est-à-dire un plateau avant à cinquante dents et un pignon arrière à onze dents. Un autre rapport de transmission donne des courbes de signal légèrement différentes.
Le graphe de la figure 20, représente justement la variation du rapport Ai / (Ai + A2), en fonction de l'angle f variant entre 0° et 35° pour deux rapports de transmission différents, 50/11 et 34/26.
On voit que pour ces deux rapports de transmission, l'angle f = 23° correspond à l'angle pour lequel le rapport Ai / (Ai + A2) est égal à 50% et que cet optimum est indépendant du plateau utilisé.
Le couple moyen transmis par le cycliste à chaque cycle de pédalage se trouve donc bien proportionnel à l'aire A1+A2, le coefficient de proportionnalité étant dépendant du nombre de dents du plateau utilisé et pouvant être établi par un étalonnage préalable en laboratoire.
Nous pouvons remarquer que la dissymétrie de mesure droite/gauche est essentiellement due aux composantes horizontales du pédalage, hors nous pouvons remarquer que les membres inférieures du cycliste sont composés du fémur, du genou, du tibia, de la cheville et de la plante du pied pour se terminer par la liaison pivot de l'axe de la pédale, tout ce système mécanique peut se comparer à un système de genouillère mécanique entre l'articulation de la hanche et l'axe de la pédale qui génère un effort de poussée moyen passant par l'axe de la pédale et voisin de l'axe du fémur, globalement incliné d'une vingtaine de degrés par rapport à la verticale lorsque la pédale se situe dans sa phase vraiment motrice ( pédale droite 30°< b < 150°), il est donc compréhensible que lorsque le capteur se trouve orienté sensiblement perpendiculairement à cette ligne axe de pédale / axe fémur il devienne symétrique car non perturbé par une composante perpendiculaire devenant négligeable.
On peut déduire de cette constatation que si l'on veut adapter l'invention à un type de vélo particulier comme par exemple un vélo couché, il conviendra de regarder l'inclinaison du plan passant par l'axe de la pédale et l'axe du fémur et de le comparer au repère de la chaîne qui est dans notre exemple sensiblement horizontal, et d'adapter l'angle d'inclinaison f du capteur afin de symétriser au mieux Ai et A2, le mieux étant de réaliser des essais instrumentés en laboratoire préalables pour trouver une valeur de f adaptée.
Sur un vélo traditionnel, lorsque le cycliste se met à pédaler en position dite de danseuse, la composante horizontale a tendance à disparaître et l'angle f peut alors être diminué à 10° ou 15° pour ne plus trop refavoriser la jambe droite, de même pour la pratique du cyclisme en triathlon il est d'usage d'avancer la selle ce qui conduit également à réduire la composante horizontale, l'angle f doit donc en pratique être compris entre 10° et 30°.
Alors que volontairement, dans les paragraphes précédents, nous n'avions pas pris en considération la superposition d'un couple d'assistance pour se focaliser sur les efforts générés par le cycliste, nous allons maintenant reconsidérer la superposition d'un couple d'assistance qui va modifier le signal mesuré par le capteur 3.
De préférence, le contrôle du couple moteur délivré par le moteur d'assistance est fait de telle façon que celui-ci soit proportionnel au couple moyen délivré par le cycliste, le coefficient d'assistance K4 peut être sélectionné par le cycliste qui pourra par exemple choisir entre trois modes d'assistance (Low/Médium/High) correspondant chacun à un coefficient différent, on pourra par exemple programmer K4.L0W = 30% K4.Médium=75% et K4.High=120%.
Afin de minimiser le bruit et d'optimiser le rendement du moteur d'assistance et donc l'autonomie du système, les essais montrent qu'il est préférable que le moteur délivre un couple d'assistance le plus constant possible plutôt que de suivre l'évolution instantanée du couple du cycliste C, il est donc souhaitable de moyenner la mesure au plus près de l'évolution du couple moyen du cycliste sans trop introduire de retard lors du calcul de la moyenne.
La figure 21 est un schéma synoptique expliquant le principe d'asservissement du dispositif de mesure d'effort et de contrôle du moteur selon l'invention.
Il est important de prévoir un dispositif de sécurité qui ne sera pas décrit ici, permettant de stopper brutalement le couple délivré par le moteur dès que la sécurité de l'utilisateur pourra être mise en défaut, en considérant par exemple les phases d'arrêt brutal, de rétropédalage ou de freinage, ce dispositif est noté "Stop Assist" car il va permettre d'ordonner au contrôleur du moteur de le stopper brutalement.
La case "l (Amp)" symbolise le contrôleur qui va piloter le moteur en courant pour contrôler son couple selon une consigne d'intensité l , ce courant l va générer un couple Cmot = Ki.l , Ki étant la constante de couple du motoréducteur qui pourra être déterminée et programmée en usine et entrée en mémoire (symbolisé par la case Ki). Avec une technologie de moteur Brushless particulièrement adaptée aux cycles à assistance électrique, le contrôleur va devoir recalculer le courant injecté dans chacune des phases avec une fréquence très élevée, notre boucle de calcul de la consigne de couple pourra donc aussi potentiellement être recalculée à une fréquence élevée.
Ce couple Cmot généré par le moteur va induire une composante d'effort I assist= K2.Cmot=Ki.K2.l, le facteur K2 (symbolisé par la case "K2") étant fonction du nombre de dents du plateau engrené (symbolisé par la case N,), et donc proportionnel au coefficient al5 de la matrice et à cos f (f désignant l'inclinaison du capteur), le produit K1.K2 peut aussi être déterminé par le microcontrôleur lors d'une opération préalable de calibration. Cette opération préalable de calibration pourra par exemple être faite grâce au protocole suivant : on bloque le frein arrière afin d'immobiliser la rotation de la roue arrière, on envoie conjointement une consigne de courant dans le moteur et on mesure l'évolution du signal du capteur 3 qui résultera de la mise sous tension de la chaîne sous l'effet du couple moteur, le microcontrôleur pourra alors mettre en mémoire le produit K1.K2. Quant au nombre de dents du plateau utilisé, celui-ci pourra être obtenu par tout moyen connu, notamment par un monitoring de la position du dérailleur avant, lequel monitoring étant relativement aisé avec les systèmes de dérailleurs électrique
Le capteur 3 représenté par le pont de Wheatstone, va être sollicité par trois actions mécaniques symbolisées dans le schéma synoptique par des flèches en pointillées, on trouve donc l'action du couple moteur du moteur assistance qui se superpose à l'action motrice du cycliste (symbolisée par la case "Cyclist") pour transmettre la somme de ces couples à l'action de la chaîne (symbolisée par la case "Chain") qui va transmettre l'effort moteur à la roue arrière (symbolisée par le cercle "Rear Wheel").
Le signal S généré par le capteur 3, RRX'Total sera donc la superposition de la valeur générée par le moteur, la valeur générée par le cycliste que nous avons décrit dans les paragraphes précédents et de la valeur liée à la tension à vide To de la chaîne que nous avons également décrite précédemment.
Un microcontrôleur va soustraire de la mesure RRX'Total issue du capteur 3, la composante issue du moteur d'assistance RRX'assist calculée à partir du courant moteur, on obtient donc ce qui est indiqué dans la case correspondante : RRx'Cyclist = RRX'Total - RRX'assist ; c'est-à-dire encore : RRX'Cyclist = RRX'Total - K1.K2.I.
La figure 22 est un graphe illustrant cette opération, une première courbe supérieure en pointillée représente la mesure de l'effort RRX'Total déterminée par le capteur 3, une deuxième courbe médiane en pointillée représente la composante RRX'Assist calculée à l'aide de la mesure instantanée du courant moteur multipliée par les coefficients Ki et K2, une troisième courbe en trait continu gras représente la valeur Rrx' Cyclist qui est obtenue en retranchant la deuxième courbe de la première, soustraction qui se retrouve schématisée par les deux flèches d'égale longueur à b=135°.
Il faut noter qu'à ce stade, la composante induite par la tension à vide de la chaîne To est bien toujours superposée et donc influente dans la mesure.
Afin d'annuler cette composante liée à la tension à vide de la chaîne T0 et rendre également la mesure indépendante des potentielles variations d'offset liées aux variations de températures, il va ensuite être réalisée une mesure différentielle mesurant l'amplitude de variation ARRx' de l'effort Rrx' Cyclist précédemment obtenu, pour cela comme représenté dans le schéma synoptique de la figure 21 un algorithme (symbolisé par la case RRx'min) surveille l'évolution de la valeur RRX'Cyclist et détermine à chaque tour, de préférence, au voisinage de b=0°, la valeur mini de RRx' Cyclist et vient la stocker provisoirement en mémoire. A chaque tour, une nouvelle valeur mini viendra remplacer la précédente valeur mini dans la mémoire. La valeur FWmin peut être visualisée par la courbe pointillée inférieure horizontale du graphe de la figure 22.
Cette valeur RRx' min va alors être soustraite à la valeur RRx'Cyclist précédemment obtenue pour obtenir comme dans la case correspondante : ARRx'Cyclist = RRx'Cyclist - RRx'min.
Cette valeur, est représentée sur la figure 22 par une double flèche ARRx' pour p=180°, elle est régénérée à chaque boucle de calcul, elle varie de manière importante et cyclique avec le pédalage du cycliste, mais afin d'optimiser le rendement du moteur et de réduire également son niveau de bruit émis, il est préférable de moyenner et lisser sa consigne de couple tout en prenant garde de ne pas trop dégrader le temps de réponse du système, c'est pourquoi le schéma synoptique de la figure 21 prévoit une opération de moyennage réalisée de manière préférentielle sur un multiple de demi révolution de pédalier ce qui est très efficace en terme de lissage puisqu'il correspond exactement à la période du signal d'excitation due au cycle de pédalage, cette opération est notée:
[Math. 9]
Figure imgf000022_0001
où n représente le nombre de valeurs d'échantillonnage moyennées par tour, par exemple quarante échantillons tous les 9° comme visibles par chacun des points visibles sur les courbes de la figure 22, le calcul ci-dessus réalise donc une simple moyenne arithmétique des vingt précédentes valeurs de la valeur différentielle Al cyclist ce qui donne un lissage très réactif et très stable.
Dans l'exemple de la figure 22, on peut noter que la détermination du FWAssist est issue d'un modèle complet où le facteur K4 d'assistance vaut 75% et ou le couple moyen délivré par le cycliste est stable et vaut 25 N.m, l'algorithme complet ci-dessus génère une petite oscillation de cette valeur autour de sa valeur moyenne mais qui reste très faible relativement à l'oscillation du couple du cycliste.
On peut améliorer nettement la stabilité de la moyenne en réalisant la moyenne sur n valeurs d'un tour complet, soit les quarante valeurs précédentes dans l'exemple ci-dessus, en revanche le temps de réponse sera deux fois plus long, ce mode peut être adopté par exemple dans un mode d'assistance dit "soft" ou "éco" pour maximiser le rendement du moteur et minimiser le bruit, dans ce cas l'oscillation de couple moteur devient alors imperceptible.
Cette moyenne peut être également calculée de manière temporelle et non angulaire en échantillonnant à une fréquence fixe et en calculant de manière continue la moyenne arithmétique des valeurs enregistrées sur le demi-tour ou le tour précédent, on pourra cependant noter que la définition théorique du travail élémentaire est ôW= C.dp ou ôW= P.dt = C.Q.dt = C.(dp/dt).dt, autrement dit le calcul de la moyenne arithmétique fait de manière temporelle n'est exacte d'un point de vue énergétique que si la vitesse de rotation est constante, elle doit être idéalement pondérée par la vitesse de rotation, mais la variation de vitesse sur un tour de pédalier n'est pas très importante (sauf en danseuse) et l'approximation peut être tolérée si la précision de la moyenne recherchée et donc du ratio K4 d'assistance n'est pas trop exigeant. AR
La valeur différentielle moyenne c'<b) est proportionnelle au couple moyen développé par le cycliste, il suffit donc de la multiplier par le coefficient K3 (symbolisé par la case "K3" fig21) pour obtenir le couple moyen du cycliste selon l'opération notée :
[Math. 10]
Figure imgf000023_0001
Le facteur K3 qui dépend principalement du nombre de dents du plateau 18, c'est un coefficient exprimé en unité de longueur qui est un peu plus petit que le rayon primitif du plateau, dans l'exemple représenté à la figure 1 avec un plateau de cinquante dents (Rayon primitif de 101 mm) la valeur K3 obtenue dans notre exemple vaut 80,1 mm (79% de Rprim f), cette valeur tenant compte de nombreux paramètres comme l'angle du capteur f, de l'atténuation (-4%) liée au calcul différentiel et qui peut dépendre légèrement du diagramme d'effort du cycliste.
Ce coefficient K3, peut être déterminé avantageusement par un étalonnage préalable en laboratoire avec des cyclistes types. On positionne un vélo équipé du système sans assistance sur un ergomètre ayant une roue arrière freinée et instrumentée permettant de déterminer le couple moyen exercé au pédalier par le cycliste à qui on demande d'effectuer un effort typique de pédalage. On enregistre le signal RRx' du capteur que l'on traite par l'algorithme de mesure différentiel et de moyennage arithmétique, il suffit alors de calculer le ratio entre ces deux valeurs pour obtenir K3 en prenant soin de le calculer pour chaque plateau utilisé.
Ce coefficient K3 est rentré en mémoire pour chaque valeur de plateau utilisé afin que le microcontrôleur puisse sélectionner le bon coefficient en fonction du plateau utilisé.
c
Après avoir déterminé le couple cycliste moyenné 'cycilst(ii) et connaissant le niveau d'assistance K4 sélectionné par l'utilisateur, il est alors possible de calculer quelle doit être la nouvelle consigne de couple du moteur :
[Math. 11]
Figure imgf000023_0002
Et donc de déduire la nouvelle consigne d'intensité qui doit être injectée par le contrôleur au moteur :
[Math. 12]
Figure imgf000023_0003
Ce cycle de contrôle du couple d'assistance peut être régénéré par exemple à une cadence d'au moins 10 à 100 fois par tour. S'il est géré de manière temporelle il est souhaitable que la fréquence de régénération soit suffisante notamment lorsque le rythme de pédalage est élevé afin qu'il continue à bien suivre les évolutions rapides du cycliste.
Le capteur selon l'invention a été décrit ici dans le cadre particulier de la mesure de couple développé par un cycliste pédalant sur un vélo à assistance électrique. On comprend aisément que cette utilisation n'est pas la seule qui peut être faite de ce capteur.
Tout d'abord, On pourra utiliser ce capteur pour la mesure de couple développé par le cycliste dans le cadre d'un vélo normal, c'est-à-dire sans assistance électrique. Le positionnement angulaire du capteur sera identique à ce qui a été décrit ci-dessus. Le fonctionnement du capteur et du pont de Wheastone sera également identique. Seul le traitement du signal mesuré par le pont de wheastone pour aboutir au calcul du couple moteur du cycliste différera dans la mesure où il ne sera plus nécessaire de retrancher le couple fourni par le moteur.
On pourra également utiliser ce même capteur pour la mesure d'effort auquel est soumis un arbre tournant quelconque.
D'autre part, on pourra envisager d'utiliser plusieurs capteurs identiques pour le même ensemble rotatif. Par exemple, un ensemble de pédalier de vélo pourra comprendre un capteur selon l'invention autour de chacun des roulements du boîtier de pédalier.

Claims

Revendications
1. Capteur d'effort qui comprend une portion périphérique (34), une portion centrale (35) et un premier cadre (33) reliant une section haute (342) de la portion périphérique (34) à une portion haute (352) de la portion centrale (35) ; ladite portion centrale (35) comportant un siège (351) prévu pour recevoir la bague extérieure d'un roulement afin de monter un arbre en rotation autour d'un axe (Z), caractérisé en ce que le cadre (33) comporte une âme (333) encadrée par deux bras (331, 332) sensiblement parallèles l'un avec l'autre de telle façon que ladite section haute (342) de la portion périphérique (34), ladite portion haute (352) de la portion centrale (35) et les deux bras (331, 332) forment un parallélogramme.
2. Capteur d'effort selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur ( H333) de l'âme, selon l'axe (Z), est inférieure à 50 % de l'épaisseur (H33I) des bras.
3. Capteur d'effort selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'âme (333) est en contact avec les deux bras (331, 332), avec la section haute (342) et avec la portion haute (352).
4. Capteur d'effort selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'âme (333), les deux bras (331, 332), la section haute (342) et la portion haute (352) font partie d'une seule et unique pièce réalisée dans une seule matière.
5. Capteur d'effort selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'âme (333) est plane et qu'elle est orientée selon un plan radial, perpendiculaire à l'axe (Z).
6. Capteur d'effort selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, selon l'axe (Z), l'âme (333) occupe une position centrale par rapport aux bras (331, 332).
7. Capteur d'effort selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une jauge de contraintes est collée sur une des faces de l'âme (333).
8. Capteur d'effort selon la revendication précédente, caractérisé en ce que quatre jauges de contraintes (Jl, J2, J3, J4) sont collées sur l'âme (333).
9. Capteur d'effort selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un deuxième cadre (33') sensiblement identique au premier corps d'épreuve relie la portion périphérique à la portion centrale, et en ce que le premier (33) et le deuxième cadres (33') sont diamétralement opposés.
10. Capteur d'effort selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un soufflet (36, 36') relie la portion périphérique (34) à la portion centrale (35) sur toute la circonférence à l'exception des zones occupées par le ou les cadres (33, 33').
11. Capteur d'effort selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le soufflet (36, 36') comporte une paroi interne (361) au contact de la portion centrale (35), une paroi externe (362) au contact de la portion périphérique (35) et une paroi centrale (363) reliant la paroi interne (361) à la paroi centrale (362).
12. Capteur d'effort selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la paroi interne (361) et la paroi externe (362) sont sensiblement planes et orientées selon un plan radial, perpendiculaire à l'axe (Z), et en ce que la paroi centrale (363) est sensiblement cylindrique.
13. Capteur d'effort selon l'une des revendications 10 à 12 précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur des parois du soufflet est comprise entre 0,5 mm et 0,8 mm.
14. Capteur d'effort selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un deuxième cadre (33') sensiblement identique au premier corps d'épreuve relie la portion périphérique à la portion centrale, et en ce que le premier (33) et le deuxième cadres (33') sont diamétralement opposés le long d'un axe (U').
15. Ensemble de pédalier prévu pour être monté sur un vélo, ledit ensemble comportant au moins un roulement droit (28) servant au montage d'un arbre (4) de pédalier et un capteur d'effort (3) selon la revendication 14, placé autour de la bague extérieure dudit roulement (28) ; caractérisé en ce que l'axe (U') fait avec l'axe vertical (Y) un angle (f) compris entre 10° et 30° et en ce que le cadre haut (33) est placé à l'arrière de l'axe vertical (Y).
16. Ensemble selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'angle (f) est compris entre 20° et 25°.
17. Ensemble selon la revendication précédente, caractérisé en ce que quatre jauges de contrainte (Jl, J2, J3, J4) sont placées sur le cadre haut (33).
18. Procédé de commande d'un moteur d'assistance électrique pour un vélo, lequel vélo étant équipé d'un ensemble de pédalier selon l'une des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que le signal (S) généré par le capteur d'effort correspond à la composante selon un axe (C', X') étant perpendiculaire à (U') et à (Z), de l'action Rright s'exerçant sur le roulement droit (28), cette composante étant notée : F Total.
19. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la partie de la composante F Total, qui est générée par le cycliste, F cyclist est égale à :
RRx'Cyclist = RRx'Total - K1.K2.I
où, I est l'intensité consommée par le moteur d'assistance ; Ki, la constance de couple du moteur d'assistance et K2, un facteur dépendant du nombre de dents du plateau engrené par la chaîne de transmission.
20. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'à chaque tour de pédale, la valeur minimale de la composante, RRx- min, est stockée en mémoire ; en ce qu'à chaque instant, cette valeur minimale est retranchée à la portion de la composante généré par le cycliste, RRX Cyclist ; et en ce qu'une opération de moyennage est réalisée sur un multiple de demi-révolution de pédalier :
Figure imgf000026_0001
où n est le nombre de valeur d'échantillonnage
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