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PIVOTS-JOINTS RARTRIKE

Cette section est consacrée à la description et au développement collaboratif des différentes formes de pivots-joints de RARTRIKE-France.

PIVOT JOINT A ENGRENAGES

Le Pivot-Joint à Engrenages est l’objet d’un brevet d’invention Français. Cet ensemble mécanique a été présenté sur le RARTRIKE PJE pour la première fois au Salon du vélo spécial (SPEZI), à Germersheim, en Allemagne en avril 2016. Il représente la forme « historique » du pivot-joint à engrenages, qui nous a permis de montrer aux exposants du SPEZI que notre idée « roule ». de très nombreuses modifications nous ont permis d’en améliorer le rendement, d’en faciliter le montage (merci à Mr Claude BARNAY pour sa patience)  et d’en diminuer le poids. Mais sa description est souveraine et démontre l’intérêt de la chose… dans le domaine de l’oscillation des tricycles, mais pas seulement. Sur un véhicule conventionnel, la chaîne de transmission de puissance  suit un trajet qui passe par la boite de vitesse, le différentiel, le système de direction et de suspension. Les cycles RARTRIKE ajoutent une étape à ce trajet : le  pivot d’oscillation. Lorsque la puissance motrice est transmise par des arbres en rotation, RARTRIKE utilise des renvois d’angle réglables et pilotés. Ces renvois d’angles, placés sur l’axe pivot du système de direction ou d’oscillation et pilotés par eux, sont de PJE. Le tricycle RARTRIKE PJE comporte donc deux pivot-joints à engrenages.

Pivot – Joint à Engrenages du système d’oscillation:

Sous le siège, le premier  PJE reliant le différentiel aux arbres de transmissions coaxiaux aux bras oscillants droit et gauche,  est piloté par le système d’inclinaison du tricycle. Nous avons représenté le PJE dédié à l’inclinaison vu de dessus en coupe. Il en existe un exemplaire à droite et l’autre à gauche, permettant de transmettre la force motrice aux arbres contenus dans les bras oscillants respectif.

Pivot joint à engrenages du bras oscillant

RENVOI ANGLE DU BRAS OSCILLANT

Au centre et en grisé,  le différentiel (produit par l’entreprise SAMAGAGA) qui recoit la force motrice du pédalier d’amont par une chaîne et un pignon central. Le couple conique à 115° 36/24 dents droites en acier est placé dans un tube en T en acier soudé. Chacun des pignons coniques qui constituent ce couple conique est centré par des roulements à billes. Le tube en T est l’élément mobile du système, il tourne sur l’axe de symétrie du différentiel, guidé en rotation par un tube aluminium fixé au cadre du tricycle et une bague IGUS de glissement. Cette rotation est pilotée par le système d’inclinaison du tricycle. La vue ci dessus montre les éléments centraux du PJE d’oscillation : Le différentiel recoit dans son logement (en rouge) un arbre cannelé fixé sur le premier pignon violet (36 dents). Ce premier pignon conique forme un couple avec (en vert) le pignon 24 dents. Les roulements à bille de centrage sont représentés en jaune. L’angle du couple conique est de 115 degrés, ce qui  correspond à l’angulation de 25° que fait chaque bras oscillant avec le plan médian du tricycle.Ci dessus, ont été rajoutés les cages de roulement et de centrage (en orange) des deux éléments du couple conique. Le tube en T vient entourer les cages de roulement pour former le boitier de ce renvoi d’angle. Ci dessus, les éléments jaunes sont des bagues de glissement IGUS qui permettent au tube en T de pivoter sur un axe qui traverse le milieu du différentiel. Ci dessus (on a changé de côté) une représentation du tube en T supportant le bras oscillant GAUCHE (en fibre de carbone).La partie le plus large de ce tube en T pivote grace aux bagues IGUS insérées du coté interne dans le châssis du cadre (en fibre de carbone), et du côté externe sur un support fixe (en violet) solidaire du cadre par l’intermédiaire du tube vert.

Pivot – Joint à Engrenages du système directionnel :

C’est dans le pivot de direction que se trouve le deuxième PJE, permettant de transmettre la puissance des arbres en rotation contenus dans les bras oscillants aux fusées du tricycle à travers le pivot de direction. Ce PJE est le plus « Visible » et fait l’originalité du RARTRIKE PJE. Totalement différent du PJE précédent, il s’en distingue par la présence de deux couples coniques dédiés reliés entre-eux par un arbre intermédiaire. Nous vous recommandons de consulter le brevet d’invention qui lui est consacré dans la page PRESENTATION. Les deux couples coniques à 74 degrés qui le constituent sont usinés spécialement. Ils sont formés de pignons à dents droites. Comme il n’existe pas de roue libre entre le PJE et la roue, ces couples coniques sont  soumis à trois types de sollicitations : le couple moteur du cycliste couché, l’entrainement par la roue en descente et le couple de freinage de la roue controlatérale par l’intermédiaire du différentiel central. gear-joint-pivot  

PIVOT JOINT HYBRIDE

Couple conique central du PJH :

Contrairement au PJE classique, pour lequel les pignons (dents droites) avaient été taillés spécialement, nous avons utilisé des pignons coniques standards. En effet, dans les formes classiques du PJE décrites plus haut, les couples coniques ne sont pas à angle droit car ils suivent le chemin de la transmission de puissance dans les pivots d’oscillation et de direction.  Le renvoi d’angle du PJE Hybride est à angle droit, et les engrenages sont donc de type standard.

Nous avons placé dans le moyeu des roues du tricycle une roue libre ce qui nous a permis d’utiliser des pignons spiro-coniques car le couple de transmission ne se fait plus que dans un sel sens : celui de la motricité. Un fonctionnement des engrenages plus fluides, un meilleur rendement, et une roue libre en périphérie qui diminue de façon très sensible l’inertie du système que nous avions observé sur le RARTRIKE PJE.

Reste à déterminer les dimensions utiles des pignons coniques pour un couple moteur humain. Pour cela, deux sources d’information

  •  les systèmes existants d’une part (Shaft Drive)
  • et les feuilles de calcul proposées par l’un de nos fournisseurs d’engrenages : HPC.

Nous avons estimé le couple moteur maximal appliqué au départ du cycle par le cycliste à 170 Nm. Ce couple est très rapidement décroissant et ne dépasse pas 50 Nm lorsque le cycle se déplace. Ce couple est appliqué aux deux roues avant et la totalité du couple ne se retrouve sur une roue que si l’autre est bloquée. Une roue de 70mm développe 2.198 m au sol en un tour, ce qui correspond à 833 mètres par minute ou 379 tours par minutes pour une vitesse de 50 km/h.  A 5 km/h, la roue du cycle (et donc l’engrenage qui l’entraine tourne à 3.79 tours par minute.

L’intégration du pignon conique dans le PJH nécessite un usinage, qui est donc la première étape. Le pignon est ensuite traité thermiquement pour supporter les contraintes mécaniques. Une vue d’ensemble des deux parties du  PJH :

  • En orange, le boitier du renvoi d’angle, piloté par le système d’oscillation
  • En rouge, le joint universel de Cardan, dont l’angle est piloté par le système directionnel

Vue de dessus Vue Avant : En Marron; les deux ailes d’oscillation, constituées de composites de plaques en époxy-carbone renforcées. A l’extrémité de ces ailes, se trouvent les pivot d’oscillation gauches, dont les centres (sur cette vue de face)  réalisent avec les pivots symétriques droits et les pivots de la platine centrale un parallélogramme déformable. Le PJE sert de support au pivot de direction, sur lequel s’articule l’étrier qui porte la fusée de la roue. On distingue bien ici la configuration angulaire du pivot de direction, avec l’angle de compensation du déport au sol et l’angle avant (Chasse). Au travers de ce pivot de direction, la puissance en rotation est transmise de l’arbre de sortie du renvoi d’angle à la fusée de roue par un joint universel de Cardan. Vue Latérale droite : Le support des étriers de freins à disque est disposé de façon différente à droite et à gauche, ceci car les étriers de freins à disques sont identiques (BB7 à cables d’AVID pour le tricycle oscillant alpin.) Vue latérale Gauche  

DIFFERENTIEL COAXIAL COMPOSITE RARTRIKE

Cette section est consacrée à la description et au développement collaboratif du différentiel coaxial composite de RARTRIKE-France.

Le différentiel coaxial de RARTRIKE comporte un coeur d’engrenage classique avec deux pignons coniques planetaires à dents droites et deux satellites. Son originalité est double :

  • d’une part, les deux arbres sortants de ce différentiel sont situés du même côté et emboités l’un dans l’autre,
  • d’autre part, si les composants mécanique centraux « roulants » sont pour la plupart en acier, les arbres et la partie externe (en rouge et jaune ici) sont constitués respectivement de composites préfabriqués ou moulés en epoxy-carbone.

Nous avons donné ici le dimensionnement des différents éléments, sur ce shéma un peu chargé…  pour donner une idée de l’encombrement de cet ensemble mécanique. Les engrenages sont issus d’une fabrication « standard », usinés, traités par nos soins pour s’adapter aux exigeances mécaniques et dimensionnelles.

 

 

 

 

 

 

BOITE DE VITESSES RARTRIKE

Cette section est consacrée à la description et au développement collaboratif de la boite de vitesse de RARTRIKE-France. Cette boite de vitesse est destinée aux cycles couchés et aux tricycles de RARTRIKE-France dont la bôme est équipée d’un arbre de transmission coaxial tel le Tricycle Oscillant Alpin par exemple. La transmission du couple de pédalage se fait dans un premier secteur par deux cassettes (orange et verte ) en ligne reliées par une courte chaine. La poulie verte est l’élément rotatif d’un dérailleur qui fait varier le rapport de transmission. La rotation de la deuxième cassette (verte) est ensuite transmise à un renvoi d’angle  fixe dont la facture, les engrenages et le principe de fabrication sont très proches du pivot-joint hybride précédemment décrit. 

BOITE VITESSE VUE LATERALE

On peut distinguer ci-dessous les pignons d’entrainement (en rose) de la deuxième chaine qui entraine le premier pignon conique du renvoi d’angle.

BOITE VITESSE VUE 3/4

La vue ci-dessous  montre la connection entre le renvoi d’angle et le différentiel coaxial de RARTRIKE-France (successivement, roulement jaune, butée à aiguilles grise, pignon planétaire orange et carter intermédiaire bleu)

DETAIL BOITE VITESSE

Cette boite de vitesse utilise des composants mécaniques des cycles classiques, du moins apparemment, car l’une des deux cassettes tournant dans un sens inhabituel, doit être modifiée.

Mais comme nous l’expliquons dans la présentation générale, le système de double cassette en ligne est déjà développé en 2007 par Nosmoke MTB, entreprise italienne. On reconnait ici la touche « finition haute qualité » de nos amis italiens.

PHASER GEAR BOX de NOSMOKE MTB

Il existe un autre système mécanique très intéressant pour transmettre le mouvement de rotation entre les deux cassettes de cette boite de vitesse : le pignon glissant.

Une modification de la forme de chaque pignon est nécessaire pour permettre un engrènement à 45°. L’équipe de RARTRIKE-France désigne ce duo mécanique par « pignon-tarte-pignon droit glissant ». Nous vous laissons sur la vidéo ci-dessous appréhender le fonctionnement de l’assemblage pignon tarte – engrenage droit :

Voici une modélisation 3D par RARTRIKE-France du « pignon tarte », articulé avec un pignon droit classique.

PIE GEAR

PIGNON TARTE

Signalons d’emblée la particularité de l’engrenement du pignon tarte bien visible sur cet agrandissement où les dents ne sont pas finalisée.

ENGRENEMENT PIGNON TARTE

Une version légère de la CVT est aussi  à l’étude pour remplacer ce système de cassettes. Le renvoi d’angle permet de « mettre en ligne » les éléments de la transmission de puissance (différentiel et arbres) à travers la bôme du cycle. Cette mise en ligne est un élément essentiel à considérer pour la fiabilité et l’ergonomie finale du cycle.

MOTEUR POMPE HYDRAULIQUE A PALETTES PIVOTANTES

Le moteur pompe hydraulique à palettes pivotantes est un appareil très semblable aux moteurs ou pompes à palettes de cylindrée fixe existantes mais qui présente deux particularités :

  • Il est muni de palettes pivotant d’un quart de tour sur un des axes radiaux du rotor, ce qui leur permet de se « glisser » dans une gouttière semi-circulaire d’esquive pendant une partie du cycle de revolution.
  • une chambre de conversion hydromécanique et une chambre d’esquive bien différentiées, ce qui entraine un couplage hydromécanique strict.

Le moteur pompe à palettes pivotantes est un appareil volumétrique strict de cylindrée fixe dont le poids et l’encombrement sont réduit au maximum.      

 

DESCRIPTION :

A/ INTRODUCTION   Le moteur pompe hydraulique à palettes pivotantes est le résultat d’une recherche destinée à trouver un système hydraulique de motorisation pour les cycles à propulsion humaine. Le cahier des charges de cet ensemble mécanique est : obtenir une transmission hydro-mécanique directe, efficace et réversible pour un moteur-pompe hydraulique léger et peu encombrant. L’utilisation finale du moteur pompe hydraulique à palette pivotante est généraliste et ne se limite pas aux cycles.

hydraulic pump motor with rotating vanes

MOTEUR POMPE A PALETTES PIVOTANTES

B/ DESCRIPTION :

Description globale de l’ensemble mécanique :

Le moteur pompe hydraulique à palettes pivotantes est un ensemble mécanique formé par :

  • Un corps (stator) et un couvercle,
  • Un conduit d’admission hydraulique,
  • Un rotor, tournant au centre d’une chambre de conversion hydromécanique, support de fixation et de centrage des palettes pivotantes,
  • Un arbre de transmission mécanique de sortie pour un moteur ou d’entrée pour une pompe, solidaire du rotor et centré sur le corps de l’appareil par des roulements,
  • Des palettes mécaniques animées d’un double mouvement de déplacement circulaire autour de l’axe du rotor et de pivot autour d’un des rayons du rotor,
  • Une chambre de conversion hydromécanique réversible, qui convertit le flux hydraulique en rotation mécanique, délimitée par la face externe du rotor et une couronne semi-circulaire périphérique et sectorisée par les palettes successives en position radiales et verrouillées,
  • Une couronne semi-circulaire intégrée ou non au stator,
  • Une chambre d’esquive, semi-circulaire et presque virtuelle en fonctionnement, dans laquelle les palettes pivotantes glissent après avoir tourné sur elle-même d’un quart de tour,
  • Un conduit de refoulement

Description du Rotor :

Le rotor de l’invention est un cylindre partiellement évidé, avec un alésage axial pour l’arbre de transmission. Le rotor présente plusieurs alésages radiaux régulièrement espacés dont chacun forme la douille du roulement à aiguille de centrage de la palette dans sa partie la plus éloignée de l’axe et la chambre de rotation du domino de verrouillage décrit ci- après dans sa partie la plus proche de l’axe. La chambre de verrouillage est un espace discoïde centré sur l’axe du rotor et creusé dans une de ses faces. La chambre de verrouillage reçoit la platine de verrouillage semi-circulaire solidaire du couvercle et décrite ci-après.

Description de la platine de verrouillage semi-circulaire :

La platine de verrouillage semi-circulaire est une portion de disque solidaire du couvercle par l’une de ses faces, dont les extrémités comportent un chanfrein, et qui s’inscrit dans la concavité du rotor.

Description de la Palette pivotante :

La palette pivotante est composée d’une partie en forme de palette chanfreinée, d’un axe pivot central et d’une partie ci-après dénommée domino de verrouillage de section rectangulaire. L’axe pivot de la palette pivotante est centré par un roulement à aiguilles logé dans l’alésage radial du rotor. Le domino et la palette pivotante sont en position orthogonale et ont en commun sur leur axe de symétrie l’axe pivot de la palette pivotante.

Description de la Platine d’esquive :

La platine d’esquive est une portion de disque semi-circulaire solidaire du stator partiellement évidée en son milieu formant une gouttière semi-circulaire dénommée ci-après chambre d’esquive. La platine d’esquive comporte à ses deux extrémités des ergots chanfreinés formant une butée d’esquive qui font saillie dans les conduits d’admission et de refoulement.

Description de la Chambre de conversion hydromécanique :

La chambre de conversion hydro – mécanique est un espace tubulaire de section constante délimité par le rotor, la couronne semi-circulaire, le stator, et le couvercle. Le profil de la chambre de conversion hydro – mécanique a une base droite, deux côtés rectilignes égaux perpendiculaires à la base et un sommet arciforme de convexité supérieure. Le rayon de la convexité supérieure du sommet de la section de la chambre de conversion est identique au rayon interne maximal de la couronne semi-circulaire, ce qui donne à la face interne de la couronne semi-circulaire une forme sphérique. La couronne semi-circulaire est fixée d’un coté au stator de l’appareil et de l’autre au couvercle par une série de vis.

C/ FONCTIONNEMENT

Moteur :

Le fluide entre par l’orifice d’admission et exerce une pression positive sur la palette engagée dans la chambre de conversion. Cette pression est transmise au rotor sous forme d’un couple de rotation par cette palette et, par le biais du mandrin liquide, par les trois palettes déjà engagées dans la chambre de conversion. Le rotor effectue donc une rotation qui pousse le fluide vers le conduit de refoulement. Quand elle arrive dans le conduit de refoulement, la palette entrainée par le rotor touche la butée d’esquive, tourne sur elle même d’un quart de tour et s’aligne contre le guidage linéaire courbe de la chambre d’esquive. La palette entre de profil dans la chambre d’esquive. toujours entrainée par le rotor. Apres un trajet semi circulaire, la palette sort de la chambre d’esquive et tourne à nouveau d’un quart de tour sur elle même sous l’action du domino de vérouillage qui vient de toucher la butée de verrouillage. La palette verrouillée s’engage dans la chambre de conversion et subit la pression du hydraulique.

Pompe :

Le mécanisme de rotation des palettes sur elles-même est identique à celui de la pompe. Sous l’action du couple de force transmis au rotor par arbre de transmission, les palettes engagées dans la chambre de conversion pousssent le fuide vers le conduit de refoulement, puis entrent, dans la chambre d’esquive. A la sortie de la chambre d’esquive, la palette se verrouille à nouveau pour entrer dans la chambre de conversion et pousser le mandrin liquide.