TRANSMISSION A COURROIE EN SPIRALE

La présente invention concerne le domaine des transmissions mécaniques à rapport variable.

Etat de te technique

Les transmissions par engrenages à rayon variable et à entraxe fixe connaissent des applications dans le domaine des aides au démarrage comme dans la demande de brevet français N° 0309582 du 04 août 2003, publiée le 11 février 2005, en montage coaxial, ou dans la demande de brevet français N° 0406393, du 14 juin 2004, non encore publiée, en montage à axes parallèles. Ce sont des systèmes ne fonctionnant pas en continu, mais sur une phase où une variation du rapport de vitesses est souhaitée. En général, pendant ces phases, l'axe menant reste menant et il n'y pas de problèmes d'inversion de la transmission comme en cas de frein moteur par exemple. Pour la fabrication de ces engrenages, il faut respecter des courbes primitives conjuguées pour la conservation de l'entraxe avec une valeur commune pour la tangente. La définition de la denture devient difficile lorsque les variations de rayon sont importantes et les glissements aux faces de contact de la denture nuisent au rendement de l'ensemble. De plus, les rotations de ces engrenages sont limitées à un tour car ils présentent des discontinuités en cas de variation du rayon dans un seul sens, à moins d'envisager des roues en hélice comme dans

la demande de brevet français N° 0406393 mais il faut alors gérer le déplacement longitudinal des roues et d'autres problèmes de denture. En général, ces roues sont à denture extérieure et elles tournent en sens contraire.

Un problème n'ayant que partiellement été résolu est la possibilité d'avoir des roues ayant de grandes variations de rayon, plus d'un tour de fonctionnement, le choix du sens de rotation relatif, un entraxe modulable en fonction des applications, la possibilité d'axes non parallèles, une fabrication facile, un fonctionnement sans translation due aux hélices et un bon rendement.

Il manque donc un système simple permettant d'associer ces possibilités dans le cas où l'axe menant reste toujours menant et que le réarmement peut se faire par une rotation en sens contraire après désaccouplement.

Description générale de l'invention

Ce but est atteint par système de transmission composé d'un bâti et de deux poulies reliées par un élément flexible qui peut être une courroie, une chaîne ou tout élément connu en soi. Cet élément flexible s'enroule sur la poulie menante tout en se déroulant de la poulie menée, et, par son épaisseur, assure à

l'enroulement présent sur chaque poulie une courbe primitive en spirale accroissant le rayon apparent de la poulie menante et diminuant celui de la poulie menée, ce qui diminue le rapport de réduction et convient donc aux aides au démarrage.

Cet élément flexible prend la position d'une tangente aux courbes primitives formées par les spires en place, ce qui n'impose plus à ces courbes de rester

tangentes entre elles comme dans le cas d'un engrenage. Il n'est donc plus obligatoire d'avoir des courbes conjuguées et de respecter un entraxe donné. Il est également possible de changer les sens de rotation en changeant le sens des enroulements. Les poulies peuvent être dans le même plan avec des axes parallèles, mais avec un élément flexible acceptant une torsion, il est possible d'avoir des axes non parallèles. Pour compenser les variations de rayons des enroulements, des guides positionnent l'élément flexible pour que les brins tangents aux enroulements restent dans le plan des poulies. Il est possible d'avoir un angle entre les plans des poulies allant jusqu'à 90°, comme le ferait un engrenage hélicoïdal à axes croisés. Dans le cas de poulies coplanaires, il n'est pas nécessaire d'avoir de guide et l'élément flexible prend la tangente commune extérieure aux enroulements pour avoir une rotation des poulies dans le même sens, ou la tangente commune intérieure avec une rotation des poulies en sens inverse.

On notera que lorsque l'élément flexible s'enroule sur lui même sur la poulie menante, son épaisseur assure un enroulement de l'élément flexible en forme de spirale, qui est une figure plane contrairement à une hélice. Dans certains cas on peut obtenir un enroulement de l'élément flexible sur au moins une partie de la poulie menante suivant une courbe primitive en spirale en conférant une forme de tronçon de spirale à la portion de surface (moyeu) de la poulie menante sur laquelle l'élément flexible s'enroule.

Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, l'épaisseur de l'élément flexible est constante et le moyeu des poulies n'est pas cylindrique et

présente un saut égal à cette épaisseur pour assurer la continuité de la courbe primitive de l'enroulement ainsi que la courbe primitive de la première spire. La fixation de l'élément flexible se fait sur le moyeu, à l'endroit du saut, par tout système connu en soit, par collage ou par vis par exemple. La courbe primitive des enroulements sur chaque poulie est la prolongation de la courbe du moyeu. Les choix du dimensionnement des moyeux, de l'épaisseur et de la longueur utile de l'élément flexible fixent les variations du rapport des vitesses de rotation des poulies.

Un exemple appliqué à la bicyclette pourrait être réalisé avec une courroie de 2.5mm d'épaisseur partant d'une poulie montée sur la roue arrière dont le diamètre passe de 90 à 50mm en environ 8 tours et s'enroulant sur une poulie montée sur le pédalier dont le diamètre passe de 185 à 200mm en environ 3 tours. L'équivalent en plateau à chaîne et pignon serait un démarrage avec un braquet de 52/26, soit une multiplication par 2 et un braquet final de 52/13, soit une multiplication par 4, sur une distance d'environ 20 m.

Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, au moins deux éléments flexibles identiques sont utilisés. Le but est de répartir les efforts et d'équilibrer le mécanisme. Deux montages sont réalisables, un premier avec une poulie menante unique sur laquelle s'enroule simultanément les éléments flexibles provenant d'au moins deux poulies menées. C'est une transmission à un axe d'entrée et au moins deux axes de sortie. Inversement, un second montage verrait au moins deux poulies menantes enroulant au moins deux éléments flexibles provenant de la même poulie menée. Cette transmission

aurait alors au moins deux axes d'entrée pour un seul axe de sortie. Dans les deux cas, il est judicieux de placer les poulies multiples également réparties autour de la poulie unique et de fixer les extrémités de l'élément flexible de façon également répartie sur le moyeu de la poulie unique.

Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, le guidage est conçu avec un renvoi pour monter les poulies sur un même axe. Cela peut être réalisé avec un premier et quatrième guidage assurant que les brins tangents restent dans le plan des poulies, et deux autres intermédiaires entraînant chacun une torsion de l'élément flexible de 90° avec un écartement correspondant à celui des poulies. Ces deux guides pouvant être un seul renvoi à 180° dimensionné à cet écartement. Il est également possible de n'utiliser en tout qu'un seul guide assurant à la fois les deux torsions des brins tangents et l'écartement si les variations de rayons des enroulements n'entraînent pas un désalignement des brins tangents perturbant le fonctionnement. Ce guide peut être optimisé par un montage sur pivot pour permettre à l'élément flexible de prendre la meilleure position.

Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, les poulies sont montées sur un même axe et sont reliées par au moins deux éléments flexibles

identiques guidés par leurs propres systèmes de guidage également identiques. Le but est de répartir les efforts et d'assurer un équilibrage. Il est judicieux de placer les systèmes de guidage et les extrémités des éléments flexibles de façon également répartie autour de l'axe unique.

Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, les poulies sont coaxiales et coplanaires, ce qui ne peut être réalisé que si la somme de leurs angles au centre et de leurs débattements relatifs est inférieure à 360°. Elles ont donc la forme d'un secteur de spirale et l'élément flexible est parfaitement guidé avec un seul guide placé dans le plan commun. Comme les poulies ne font pas un tour complet, la variation de rayon est obtenue par la géométrie des moyeux ou par les variations de l'épaisseur de l'élément flexible. L'élément flexible ne faisant pas une spire complète, son accrochage au début et à la fin des poulies doit être suffisamment solide car il ne bénéficiera moins de l'effet d'enroulement, par contre, il pourra prendre une trajectoire non tangente aux poulies au début et à la fin du mouvement. Cette particularité peut être exploitée avec des poulies réduites à un simple rayon au bout duquel est fixé l'élément flexible, libre en rotation. Le bras de levier devient la distance entre l'axe et la droite colinéaire au brin de l'élément flexible et varie en fonction de la rotation du rayon. Pour des raisons de répartition des efforts et d'équilibrage, il est possible d'avoir au moins deux de ces mécanismes dans le plan commun.

Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, les poulies tournent dans le même sens sur un même axe pour obtenir un variateur coaxial. En permettant au bâti de tourner autour de l'axe commun uniquement dans le même sens que les poulies, on réalise un mécanisme d'aide au démarrage dans le même esprit que dans la demande de brevet français N° 0309582, avec une réduction décroissante quand le bâti est bloqué en rotation inverse et une prise directe automatique par rotation du bâti à la même vitesse et dans le

même sens que les poulies lorsque les enroulements ont le même rayon extérieur, ou le même bras de levier.

Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, un mécanisme peut rembobiner l'élément flexible sur la poulie menée. En effet, l'utilisation d'un élément flexible impose que la poulie menante s'enroule et que la menée se déroule et il est nécessaire de s'arrêter en bout de cycle, ou avant. En fonction des applications, cela pourra se réaliser par un arrêt concret du système de transmission, soit par un débrayage ou un désaccouplement dans le cas d'une aide au démarrage avec un fonctionnement en continu qui prend le relais après la phase de démarrage. Pour pouvoir exécuter une nouvelle opération, le système de transmission doit donc être rembobiné en faisant tourner la poulie qui était menée en sens contraire. Cela peut être réalisé par un système élastique lié à cette poulie qui aurait été mis sous contrainte lors du fonctionnement normal, comme un ressort en spirale en rotation, ou l'enroulement d'un câble tendant un ressort ou soulevant un poids. Il est également possible de prévoir un mécanisme indépendant pour effectuer cette rotation.

Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, les poulies ont un moyeu cylindrique et l'extrémité correspondante de l'élément flexible qui est fixée sur ce moyeu a une épaisseur continûment décroissante jusqu'à zéro. La longueur de cette partie peut être idéalement au moins égale à la circonférence du moyeu. Cela permet d'amorcer la courbe primitive en spirale sans discontinuité du rayon apparent et il est judicieux de garder plus d'une spire

pour renforcer par effet d'enroulement la fixation de l'extrémité de l'élément flexible sur le moyeu, fixation réalisé par tout système connu en soi, par collage ou par vis par exemple.

Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, l'épaisseur d'une partie utile de l'élément flexible varie pour permettre de modifier la variation du rayon apparent de la courbe primitive. Une augmentation de l'épaisseur amplifie l'effet habituel de spirale, rayon croissant sur poulie menante et décroissant sur poulie menée, alors qu'une diminution de l'épaisseur réduit cet effet, pouvant l'annuler, rayon restant constant, et même l'inverser.

Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, le diamètre extérieur d'au moins un des enroulements ou un repère sur l'élément flexible est utilisé pour contrôler ledit système qu'il faut arrêter en fin de cycle, ou avant. Cela peut être réalisé de multiples façons, soit en mesurant le diamètre extérieur d'un des

enroulements, ou à l'aide d'un repère mécanique, optique, magnétique ou autre placé sur l'élément flexible. Une réalisation mécanique simple avec un galet roulant sur l'extérieur de la poulie menante permettrait en plus d'activer un mécanisme de contrôle. Ce galet suit l'augmentation du rayon apparent et permet d'actionner par exemple le découplage du système à poulies et d'engager la transmission du régime permanent. Dans l'exemple déjà cité de la bicyclette, le bras portant ce galet permettrait de découpler la poulie avant de l'axe des pédales et d'y accoupler le plateau à chaîne conventionnel.

Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, la courbe primitive de l'enroulement d'au moins une poulie présente des variations plus ou moins

rapides du rayon apparent pour agir sur la vitesse de variation du rapport de réduction. Cela peut être fonction du couple d'entrée dans le cas où celui-ci est variable. Les formes générales des courbes primitives des poulies restent des spirales, mais sur lesquelles apparaissent des variations de rayon plus ou moins rapides en fonction de l'angle polaire. Ces variations peuvent également être souhaitées pour satisfaire les efforts à fournir, comme des points de compression sur un système à piston, ou pour obtenir des zones à rapport de vitesses constant, par exemple pour faciliter des changements d'accouplement. Ces variations peuvent être obtenues aux endroits désirés en faisant varier l'épaisseur de l'élément flexible ou en des endroits cycliques avec la géométrie des spirales ou la forme du moyeu. Dans l'exemple déjà cité de la bicyclette, la poulie avant pourrait avoir une spirale non régulière, mais en forme d'ellipse, avec le petit axe aligné avec les bras de manivelle, pour avoir le plus grand bras de levier quand le couple disponible est le plus faible.

II est bien entendu que d'autres modes de réalisation sont possibles sans sortir du cadre de la protection de la présente invention.

Description détaillée d'un mode de réalisation préféré

D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de réalisation avantageux présenté ci-dessous, à titre d'illustration, en se référant au dessin annexé (Fig.1 ).

La Fig.1 représente une vue de droite d'une variante préférée du présent système de transmission dans une application à l'aide au démarrage d'une

bicyclette. Le bâti qui est le cadre de la bicyclette n'est pas représenté. La poulie menante 1 tourne autour de l'axe du pédalier et la poulie menée 3 autour

de l'axe de la roue arrière.

Dans le cadre de l'application à l'aide au démarrage d'une bicyclette, le présent système n'est normalement utilisé que dans la phase de démarrage de la bicyclette. Ainsi, on prévoira avantageusement un moyen de couplage destiné à sélectionner, de manière manuelle et/ou automatique, un entrainement de la roue arrière du vélo soit au moyen du présent système de transmission, soit au moyen du système conventionnel de transmission à chaine et pignon(s) arrières. Que l'on utilise l'une ou l'autre transmission, la force d'entrainement est appliquée à la poulie menante, respectivement au plateau avant, par

l'intermédiaire des pédales.

Dans la présente variante, les poulies 1 et 3 sont préférablement coplanaires et l'élément flexible 2, qui est une courroie plate non fermée, s'enroule sur la poulie 1 tout en se déroulant de la poulie 3, les deux poulies tournant dans le sens horaire. Les poulies étant coplanaires, la courroie ne nécessite aucun

guidage et prend la trajectoire de la tangente commune extérieure aux deux spirales formées par les spires de courroie en place sur chacune des poulies.

Les extrémités de la courroie sont fixées dans des emplacements 4 prévus dans les moyeux de chaque poulie et ces accrochages sont renforcés par l'effet cabestan de la première spire de chaque enroulement.

La position représentée par la Figure est une position intermédiaire de la phase de fonctionnement qui a commencé avec une position de départ où la poulie

menante 1 a moins de spires de courroie et la poulie menée 3 en a davantage, donc avec un rapport de surmultiplication inférieur à celui représenté qui est environ de 3. Le mouvement se continue avec la poulie menante 1 qui continue à enrouler de la courroie et voit son rayon apparent croître encore alors que la poulie menée 3 déroule de la courroie et voit son rayon apparent décroître. Le rapport de surmultiplication va donc encore augmenter et le système va atteindre une surmultiplication proche de celle désirée pour la marche normale et le système à poulies se découplera du pédalier et de la roue arrière. Le système conventionnel de transmission, par plateau avant, chaîne et pignon arrière non représenté, qui était découplé, prend alors le relais pour la marche normale.

On remarquera que la courbe formée par la courroie, en considérant une fibre neutre, est un segment de droite prolongé de chaque coté par des tronçons de spirale d'Archimède, le tout dans un même plan. Cette notion de spirales, qui sont des courbes planes, est à différencier de la notion d'hélices qui sont des courbes non planes à trois dimensions.