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EP3826910A1 - Velo electrique a chaine de transmission electrique parallele a celle de pedalage, comprenant un mat central integrant le moteur, sa batterie et son electronique de commande - Google Patents

Velo electrique a chaine de transmission electrique parallele a celle de pedalage, comprenant un mat central integrant le moteur, sa batterie et son electronique de commande

Info

Publication number
EP3826910A1
EP3826910A1 EP19742380.9A EP19742380A EP3826910A1 EP 3826910 A1 EP3826910 A1 EP 3826910A1 EP 19742380 A EP19742380 A EP 19742380A EP 3826910 A1 EP3826910 A1 EP 3826910A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
battery
central mast
motor
electric
indexing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19742380.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
François Guers
Alain Bonnet
Guillaume Lenon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Whattfornow Sas
Original Assignee
Whattfornow Sas
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Whattfornow Sas filed Critical Whattfornow Sas
Publication of EP3826910A1 publication Critical patent/EP3826910A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M6/00—Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/80—Accessories, e.g. power sources; Arrangements thereof
    • B62M6/90—Batteries
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62J—CYCLE SADDLES OR SEATS; AUXILIARY DEVICES OR ACCESSORIES SPECIALLY ADAPTED TO CYCLES AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, e.g. ARTICLE CARRIERS OR CYCLE PROTECTORS
    • B62J1/00—Saddles or other seats for cycles; Arrangement thereof; Component parts
    • B62J1/08—Frames for saddles; Connections between saddle frames and seat pillars; Seat pillars
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62K—CYCLES; CYCLE FRAMES; CYCLE STEERING DEVICES; RIDER-OPERATED TERMINAL CONTROLS SPECIALLY ADAPTED FOR CYCLES; CYCLE AXLE SUSPENSIONS; CYCLE SIDE-CARS, FORECARS, OR THE LIKE
    • B62K19/00—Cycle frames
    • B62K19/02—Cycle frames characterised by material or cross-section of frame members
    • B62K19/04—Cycle frames characterised by material or cross-section of frame members the material being wholly or mainly metallic, e.g. of high elasticity
    • B62K19/06—Cycle frames characterised by material or cross-section of frame members the material being wholly or mainly metallic, e.g. of high elasticity tubular
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62K—CYCLES; CYCLE FRAMES; CYCLE STEERING DEVICES; RIDER-OPERATED TERMINAL CONTROLS SPECIALLY ADAPTED FOR CYCLES; CYCLE AXLE SUSPENSIONS; CYCLE SIDE-CARS, FORECARS, OR THE LIKE
    • B62K19/00—Cycle frames
    • B62K19/18—Joints between frame members
    • B62K19/20—Joints between frame members welded, soldered, or brazed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62K—CYCLES; CYCLE FRAMES; CYCLE STEERING DEVICES; RIDER-OPERATED TERMINAL CONTROLS SPECIALLY ADAPTED FOR CYCLES; CYCLE AXLE SUSPENSIONS; CYCLE SIDE-CARS, FORECARS, OR THE LIKE
    • B62K19/00—Cycle frames
    • B62K19/30—Frame parts shaped to receive other cycle parts or accessories
    • B62K19/36—Frame parts shaped to receive other cycle parts or accessories for attaching saddle pillars, e.g. adjustable during ride
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
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    • B62K19/00—Cycle frames
    • B62K19/30—Frame parts shaped to receive other cycle parts or accessories
    • B62K19/40—Frame parts shaped to receive other cycle parts or accessories for attaching accessories, e.g. article carriers, lamps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B62K3/00—Bicycles
    • B62K3/02—Frames
    • B62K3/04—Frames having a substantially horizontal top bar
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    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M6/00—Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/40—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
    • B62M6/60—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor power-driven at axle parts

Definitions

  • the present invention relates to the field of electric bikes, that is to say which embark an electric motor and a battery for supplying the motor.
  • VTT mountain bikes
  • the invention aims to exceed the limits of the operating modes of current electric bikes, and therefore to offer a wider range of riding modes, in particular direct / instant riding by the user.
  • a so-called electrically assisted bicycle is a bicycle with a conventional pedaling mechanism to which the following components have been added:
  • a control unit generally arranged at the level of the handlebars, and which allows the user to define a mode of assistance, to modulate the level of his assistance, to know his mileage ...
  • This design has several major drawbacks.
  • a first major difficulty comes from the fact that the optimal speed of rotation of electric motors, although operational with a high torque as soon as they start from a standstill, is in a range of 300 to 2,000 or even 3,000 rpm, while the pedaling rotation speed that a cyclist can exercise durably is between 20 and 80 rpm, while avoiding discontinuous variations in frequency.
  • a speed reducer In order to match these rotational speeds, it is therefore necessary to insert a speed reducer, after the output of the motor since the latter is in series with the crankset.
  • the addition of a speed reducer leads to overweight, a geometric constraint for the layout of the engine and additional mechanical complexity.
  • assistance can be obtained by detecting the rotation of the bottom bracket.
  • a sensor arranged at the pedal level detects the rotation of the pedal and therefore pedaling, which then allows the electric motor to provide sound in addition to pedaling.
  • Assistance can also be done by means of a pressure sensor fitted on the pedal: the engine can start as soon as it feels the pressure exerted on the pedal. In general, the more the user presses on the pedals, the more the motor helps him, even if his pedaling rate is low.
  • detection can be done by a torque or effort sensor: it is often a combination of effort and cadence that controls the power of the motor. The more the cyclist pedals at a high rate and / or the more his effort increases by exerting a high torque, the more he receives assistance, this in order to stay within a range of rotational speed and a value of torque to provide comfortable for the cyclist.
  • the control laws or assistance program are preprogrammed by the bicycle manufacturer or the engine block supplier.
  • the user chooses a level of assistance from a number generally from 3 to 5 levels, i.e. a value of the motor torque proportional to that of pedaling developed by the user.
  • Wheel motors have already been proposed for the electric assistance of bicycles, that is to say assemblies with an electric motor incorporated in the generally rear wheel of bicycles.
  • the use of wheel motors is an interesting solution which makes it possible to have a transmission of the torque from the engine in parallel with the torque from the pedaling.
  • the wheel motor transmission mechanism is by design very simplified since directly grafted into the rear wheel hub. It often includes the motor and a reduction gear, which already constitutes a significant weight and also a very high inertia in rotation. This significant weight and inertia have a negative influence on the handling of the bike, especially when driving must be precise and fast.
  • This design makes it possible to considerably improve current electric assistance bikes, especially for sports users, because the punctual and intense assistance of the electric motor allows instantaneous crossing of an obstacle or a steep slope, even without pedaling and from the '' stop, and this without affecting the autonomy, that is to say the ability of the engine to significantly increase performance or relieve users, very punctually.
  • the user can instantly control the electric motor to start and adjust the desired speed of the bicycle, with or without simultaneous pedaling contribution.
  • the application of the engine torque can be limited to relatively short periods of time, and in the absence of this torque, the bicycle behaves identical to that of a conventional bicycle without electric assistance.
  • the reduction ratio is obtained directly between the engine output and a transmission output crown, secured to the rear wheel, which eliminates bulk and a mass of reducer coupled to the engine in current electrically assisted bikes.
  • the object of the invention is to meet this need at least in part.
  • an electric bicycle comprising:
  • crankset comprising a crankset axle
  • electric drive motor comprising a stator and a rotor which can rotate around a rotor axis
  • a central mast an area in an upper part of which is linked to the upper tube and a lower part of which is linked to the bottom bracket and / or to the oblique tube, the central mast being shaped to accommodate the motor from bottom to top with the rotor axis close to the bottom bracket axis, the electronic control unit and the battery and / or the supercapacitor, these components (motor, electronic control unit, battery) being almost aligned with the axis of the central mast which supports all the efforts of the cyclist on the bike.
  • the invention essentially consists in integrating in a stack all the components of the electric motor within a central mast, with the heaviest component, the motor as close as possible to the bottom bracket axle.
  • the components of the electric motorization that are the battery, typically of mass between 800g and l500g, the engine, typically of mass between between 2 and 4 kg, the control electronics, typically of mass of the order of 300 g, are aligned on the axis of the central mast. Consequently, these components are almost aligned with the axle which supports all the efforts of the cyclist on the bicycle.
  • the motor output axis (rotor) being thus as close as possible to the pedal axis, the line of the motor torque transmission mechanism is indeed parallel to that of the pedal torque transmission mechanism, with traction directions almost identical and therefore a good distribution of forces on the rear hub.
  • the distance between Tax on the motor rotor and Tax on the bottom bracket is less than 12 cm.
  • the distance between longitudinal tax defined by the battery and the motor is almost parallel and close to tax defined by the saddle and the crankset. Typically, this distance is less than 6 cm.
  • the integration of the motorization components in a stack in a central mast, with the heaviest component (motor) in the immediate vicinity of the Pedalboard tax and the battery aligned with the Saddle-motor tax allow centering and optimized weight balancing, between the front and rear of the bike on the one hand and low rotational inertia around a vertical axis on the other.
  • the central mast comprises a fixed casing inside which is slidably mounted a cover of shape complementary at least in part with that of the casing, the central mast thus being telescopic and / or adjustable.
  • the envelope comprises a profile obtained by deformation or extrusion welded to an extruded profile integrating a housing forming a seat tube into which a seat post can be inserted.
  • the central mast comprises a mechanism for deploying the telescopic mast, the mechanism preferably being a mechanism with pneumatic or hydraulic energy and with hydraulic or mechanical control.
  • the battery is removably mounted inside the central mast.
  • the removable battery advantageously comprises an electrical connection system of plug and play type, consisting of an electrical connector adapted to be connected directly to an electrical connector of complementary type of the electronic control unit, during a insertion of the battery in the central mast.
  • the electrical connector of the electronic control unit can be a male connector of the pin type, while the electrical connector of the battery is a female connector, complementary to the connector of pins.
  • the bicycle comprises a saddle mounted on an intermediate piece pivoting about an axis on a seat post or on the central mast, between a folded position on the mast in which the user can sit on it and a raised position in which the removable battery can be extracted from the central mast.
  • the bicycle comprises a saddle mounted on a carriage mounted to move in translation in order to move it forward or, conversely, to move it back relative to the head tube.
  • the bicycle comprises an indexing system, force recovery and locking of the battery in the central mast.
  • the indexing and recovery system includes:
  • At least one indexing finger with return force mounted movable in translation between an unlocking position in which it is distant from the battery in its connected position and a locking position in which it cooperates with the indexing relief to lock the battery in its connected position.
  • the indexing finger is accessible from outside the central mast, in order to allow a user to bring the indexing finger into its position for unlocking the battery and thus allow the latter to be extracted. .
  • the battery box is provided with a bevel adapted to make the indexing finger retract by progressive pressing during the insertion of the battery until the battery is connected and the indexing finger is opposite. indexing relief, which brings it by the return effort to cooperate with the latter.
  • FIG. 1 is a partial schematic view of a prototype electric bicycle according to the invention.
  • FIG. 2 is a side view of the rear of the electric bike according to Figure 1;
  • - Figure 3 is a schematic side view and partially in transparency of the electric bicycle frame with central mast according to the invention;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a central frame mast according to the invention.
  • FIGS. 5A and 5B are side views of a bicycle according to the invention with the central telescopic mast respectively in the extreme position folded down and in the extreme position deployed upwards;
  • FIG. 6 is a side view of a bicycle according to the invention with the saddle in a rearwardly pivoted position allowing the extraction of the removable battery from inside the central mast;
  • FIG. 7 is a side view of the central mast according to the invention supporting a saddle
  • FIGS. 8 and 8 A are respectively views from the rear and in longitudinal section along the axis A-A of a central mast according to the invention without the presence of the removable battery;
  • FIGS. 9 and 9A are respectively views from the rear and in longitudinal section along the axis A-A of a central mast according to the invention with the presence of the removable battery;
  • FIGS. 10A to 10C are detailed views of the bicycle according to Figure 3 and which show the different stages of indexing and locking, and unlocking of a removable battery in the central mast.
  • FIGS 1 to 3 show an electric bicycle 1 according to the invention.
  • the electric bicycle 1 comprises a frame 2 with a front part 2A and a rear part 2B comprising two rear shrouds 20, 21 between which the rear wheel 3 is and held.
  • the front part 2A of the frame comprises an upper tube 22, an oblique tube 23 connected by one of its ends to the upper tube 22 by a steering tube 24 through which the steering axis of the front fork passes.
  • the other end of the oblique tube 23 is linked to a bottom bracket 25 adapted to accommodate the bottom bracket.
  • the rear shrouds 20, 21 each connect the rear hub to the upper tube 22.
  • Two rear bases 26, 27 connect the rear hub to the bottom bracket 25.
  • the mechanism for transmitting the pedaling torque is conventional: it includes, from the crankset 4 which can rotate around the axis 40, a chainring 41, a roller chain 12, a cassette of sprockets around the axis 11 of the rear wheel as well that a first freewheel device, not shown, allowing the rear wheel to be driven only in the clockwise direction of pedaling.
  • this mechanism is installed as usual, that is to say on the side of the rear shroud on the right 21.
  • the bicycle 1 also comprises an electric battery, of the Li-ion or Li-Polymer type which supplies, by means of control electronics, an electric motor 6, of the brush type.
  • the motor 6 can also be of the “brushless” type.
  • the electric motor 6 is intended to drive the rear wheel 3 directly by means of a transmission mechanism which is arranged on the side of the rear shroud 20 to the left of the frame 2.
  • the output shaft 7 of the electric motor 6 is provided with a wheel which constitutes the input wheel which directly drives, via a roller chain 8 or a belt, the outlet 9, in the form of a crown, mounted on the rear wheel 3 around the rear wheel axle 11.
  • a second freewheel device makes it possible to drive the rear wheel 3 by means of the crown 9 only when it is driven in one direction by the electric motor.
  • the engine torque transmission mechanism is therefore simple and direct since it is produced without any mechanically more complicated speed reducer which would add weight to the bicycle, as in electrically assisted bicycles according to the state of the art.
  • the reduction ratio between the engine output and the crown 9 on the rear hub is between 1/20 and 1/4, preferably between 1/12 and 1/6.
  • the output wheel 7 of the motor may have between 8 and 15 teeth and the output wheel 9 on the rear hub between 60 and 120 teeth.
  • the pitch is much smaller and the number of notches greater, typically equal to 21 at the motor output and 180 on the output wheel 9.
  • the frame 2 comprises a central mast 5 composed of two parts, one part 50 being fixed and the other 51 sliding forming a housing inside which are stacked and fixed one above the other, the electric motor 6, the electronic control unit 60 of the motor and the power supply battery 61.
  • a lower end 50 of the central mast 5 is linked to the bottom bracket 24 and, where appropriate, to the oblique tube 23, while at a distance corresponding to approximately 2/3 of its height, the central mast 5 is linked to the upper tube 22, preferably to a horizontal part 28 of the latter.
  • the connections between tubes 22, 23, 28 and to the bottom bracket 24 and central mast 5 are preferably made by welding when the frame is metallic.
  • the electronic control unit 60 is advantageously fixed on a support inside the mast 50, preferably by means of one or more flexible fasteners or damping blocks adapted to absorb mainly vertical shocks coming from the weight of the battery and / or the terrain on which bike 1 travels.
  • the electronic control unit 60 may include one or more electronic cards, for example an electronic card dedicated to electrical power and an electronic card dedicated in particular to controlling the motor. This electronics can also manage energy recovery from the engine to the battery. The electrical connection between the electronic unit 60 and the electric motor can be ensured by any conventional power supply wire.
  • the central mast 5 is shaped to hold the battery 60 laterally and longitudinally as close as possible so as not to generate or postpone the forces or shocks undergone on the electronic control unit 60.
  • the central mast 5 is preferably telescopic to allow raising or conversely lowering the saddle 10 including without stopping and without getting off the bike and alternately crossing uphill and downhill passages.
  • the central mast 5 comprises a fixed casing 50 which constitutes the base of the mast on which the different tubes 22, 23, 28 and bottom bracket 24 are connected, and a cover 51 which is slidably mounted inside the fixed envelope 50.
  • the cover 51 is at least partially complementary in shape to that of the fixed casing 50.
  • the external shape given to the cover 51 gives it an aesthetic appearance in harmony with the overall design of the bicycle 1.
  • the cover 51 is shaped to form a protective barrier against any infiltration of material (water, mud, ...) inside the central mast 5.
  • the cover 51 has the function of strengthening the rotational rigidity of the saddle around the telescopic rod as well as ensuring the guiding of the battery and its accessibility to engage it during its installation and remove it. . This requires adjustment, but also functional play to allow the movements described below.
  • an assistance mechanism preferably pneumatic and actuated by a hydraulic control, can be arranged in the central mast 5.
  • the assistance mechanism can advantageously be provided with a limited return force.
  • This type of component is available in the complete form of a "telescopic rod", but it is also possible to integrate an hydraulic or pneumatic mechanism which then uses kinematic guidance produced by the complementarity between cover 51 and casing 50, possibly supplemented by a more adjusted guide between seatpost and seat tube.
  • the weight of the user may be sufficient.
  • the sliding of the cover 51 inside the fixed envelope 50 is provided with a functional clearance with the battery 61.
  • This functional clearance and the materials of these parts 50, 51 allow the hood 51 to slide as close as possible to the battery 61, preferably on the edges of its housing.
  • An advantageous embodiment of the fixed envelope 50 is shown in FIG. 4.
  • the height of the casing 50 is dimensioned to take into account the height adjustment of the saddle 10 and the travel of the telescopic cover 51.
  • the casing 50 comprises a profile obtained by deformation which delimits the main housing and which is welded to an extruded profile 55 integrating the housing 53 of the seatpost 52.
  • the axes of the fixed casing 50 and of the seat tube 53 are parallel to each other, with an angle of inclination a relative to the horizontal which may be smaller than on a conventional bicycle.
  • the angle a can be between 60 and 75 °, more preferably between 67 and 73 °, advantageously equal to 70 °.
  • the battery 61 is removably mounted inside the central mast 5, so that it can be transported, exchanged and recharged as desired.
  • the saddle 10 is pivotally mounted about a horizontal axis 100 relative to the cover 51, so as to allow manual access to the interior of the central mast 5.
  • the saddle 10 is mounted by means of a saddle support-carriage 101 on a sub-assembly 102, 103.
  • the carriage 101 allows adjustment of the attitude and the advance of the saddle 10 towards the front of the bike or its backward reverse.
  • the sub-assembly consists of two parts, one 102 being able to pivot around the pivot axis 100 while the other 103 is fixed at the top of the seatpost 52.
  • the cover 51 is also fixed to the fixed part 103 of the sub-assembly.
  • the part 102 When the part 102 is in its extreme folded position, it closes the top of the cover 51. In this position, the part 102 is fixed by a through axis located further forward which makes it possible to secure the parts 102 and 103 of the sub-assembly.
  • the saddle 10 constitutes with the carriage 101 and the sub-assembly 102, 103 a mechanical assembly secured to the cover 51 by closing it on the top and securing it to the telescopic saddle mechanism.
  • FIG. 6 The extreme position pivoted upwards, corresponding to an at least vertical position, is shown in FIG. 6.
  • the assembly constituted by the saddle 10 the carriage 101 and the sub-assembly 102 , 103 is preferably held by its own weight or abuts on the rear so as to completely free the space necessary for the introduction of the battery 61 into the central mast.
  • a plug-and-play type electrical connection system is provided.
  • the electronic control unit 60 comprises an electrical connector 600, of the male type, preferably in the form of pins, which is adapted to cooperate by interlocking with an electrical connector female 610, partially shown on 9A, which is produced in the lower part of the battery 61.
  • an indexing and locking system is advantageously provided.
  • FIGS. 10A to 10C This system is shown in FIGS. 10A to 10C, in which the arrows symbolize the directions of movement of the different elements.
  • the lower part of the battery case also has a bevel 612, the role of which is explained below.
  • an indexing and force recovery finger 200 is mounted movable in translation between an extreme deployed unlocking position which allows the introduction / extraction of the battery 61 in the central mast 5 and an extreme inserted locking position in which it is inserted in the locking groove 611.
  • the indexing and force recovery finger 200 is equipped with a return means for exerting an automatic return force of the finger from its extreme deployed position to its extreme inserted position.
  • the finger 200 passes through the fixed envelope 50.
  • the indexing and force recovery finger is in its extreme position inserted into the mast 5 (FIG. 10A).
  • the user continues to insert the battery 61 until it is mechanically and electrically connected to the electronic control unit 60 by means of the connection system 600, 610.
  • the finger 200 is automatically inserted into the locking groove 611 under the effect of the restoring force system (FIG. 10C).
  • the battery 61 is locked to the electronic control unit 60.
  • the locking thus produced makes it possible to maintain a reliable electrical connection whatever the stresses and positions of the bicycle according to the invention.
  • the finger 200 housed in the locking groove 611 also makes it possible to take up the forces applied by the battery 61, in particular due to its own weight, in addition greatly increased during accelerations on vertical shocks in all terrain practice in particular, which makes it possible to relieve the electronic control unit 60 which therefore does not have to withstand said efforts.
  • the cover 51 includes an aperture 510 over a length sufficient to allow the passage of the indexing and force recovery finger 200 over the entire telescopic deployment stroke of the cover 51.
  • the cover is a profile which constitutes both an aesthetic element and a protective element of the interior of the central mast against entry / infiltration (water, sludge, etc.)
  • the rod saddle is a conventional or telescopic rod, of circular section which slides in the tube 53 integrated directly into the fixed casing for the height adjustment of the saddle. In other words, in these modes the cover has no structural function of supporting the weight of the user.
  • the male connector 600 of the direct connection system between electronic control unit 60 and battery 61 is provided on the unit 60 and that complementary female on the battery 61, it is entirely possible consider the reverse.
  • the supercapacitor can be installed between the battery and between the electronic control unit.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

L'invention consiste essentiellement à essentiellement à intégrer en empilement tous les composants (6, 60, 61) de la motorisation électrique au sein d'un mât central (5), avec le composant le plus lourd, le moteur (6) au plus près de l'axe de pédalier, dans un vélo à deux transmissions indépendantes (moteur électrique et système de pédalage), dont la transmission par pédalage classique est combinée à une transmission supplémentaire par moteur électrique qui est en parallèle et complètement découplée de la transmission par pédalage. Le découplage mécanique entre les deux mécanismes de transmission est assuré par deux roues libres, une dédiée au mécanisme de pédalage comme usuellement qui peut être intégrée dans une cassette de pignons, l'autre dédiée au mécanisme du moteur électrique, et qui peut être introduite soit à proximité de la sortie du moteur, soit directement sur l'axe (11) de roue arrière.

Description

VELO ELECTRIQUE A CHAINE DE TRANSMISSION ELECTRIQUE PARALLELE A CELLE DE PEDALAGE, COMPRENANT UN MAT CENTRAL INTEGRANT LE MOTEUR, SA BATTERIE ET SON ELECTRONIQUE DE
COMMANDE
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine des vélos électriques, c’est-à-dire qui embarquent un moteur électrique et une batterie d’alimentation du moteur.
Elle a trait plus particulièrement aux vélos électriques, destinés à un usage sportif, notamment les vélos tous terrains (VTT) avec lesquels on souhaite ponctuellement passer des pentes très raides ou encore franchir des obstacles naturels.
L’invention vise à dépasser les limites des modes de fonctionnement des vélos électriques actuels, et donc à offrir une gamme de modes de pilotage plus étendue, notamment du pilotage en direct/instantané par l’utilisateur.
Art antérieur
Un vélo dit à assistance électrique, tel qu’il existe actuellement, est un vélo à mécanisme de pédalage classique sur lequel ont été ajoutés les composants suivants:
- un moteur électrique agencé dans la roue avant, la roue arrière, ou à proximité du pédalier, qualifié usuellement de“moteur central” dans ce cas;
- une batterie d’alimentation du moteur électrique;
- une unité électronique de contrôle-commande qui permet de réguler le pilotage (fonctionnement) des différents composants électriques;
- le cas échéant, un boîtier de commande, généralement agencé au niveau du guidon, et qui permet à l'utilisateur de définir un mode d’assistance, de moduler le niveau de son assistance, de connaître son kilométrage....
C’est la directive européenne 2002/24/EC qui fixe en Europe, les critères pour qu'un vélo à assistance électrique puisse circuler sur la voie publique. En particulier, il est précisé que l'assistance ne doit se faire que si le cycliste pédale, et se couper à l'arrêt du pédalage, (mais qu’) il est cependant autorisé de mettre en place une assistance au démarrage sans avoir recours au pédalage mais qui ne doit pas excéder 6 km/h.
En pratique, tous les vélos à assistance électrique à moteur central et par entraînement de la roue arrière, qui existent à ce jour, sont conçus avec une transmission du couple moteur qui est en série avec celle du couple de pédalage, de sorte que l’ajout du couple moteur à celui de pédalage et la transmission au moyeu de la roue arrière se font par le biais d’une seule chaîne ou courroie. Ainsi, le moteur rajoute nécessairement un couple à celui du pédalage.
Cette conception présente plusieurs inconvénients majeurs.
Une première difficulté importante vient du fait que la vitesse de rotation optimale des moteurs électriques, bien qu’opérationnels avec un couple important dès leur démarrage à l’arrêt, se situe dans une plage de 300 à 2000 voire 3000 tours/mn, alors que la vitesse de rotation de pédalage que peut exercer durablement un cycliste se trouve entre 20 et 80 tours/mn, tout en évitant les variations discontinues de fréquence. Afin de faire correspondre ces vitesses de rotation, il faut donc intercaler un réducteur de vitesse, après la sortie du moteur puisque celui-ci est en série avec le pédalier. L’ajout d’un réducteur de vitesse entraîne un surpoids, une contrainte géométrique pour l’implantation du moteur et une complexité mécanique supplémentaire.
Un deuxième point récurrent et qui génère des débats, tant pour les utilisateurs que pour les législateurs, se cristallise autour des facteurs et des lois de contrôle pour gérer le fonctionnement du moteur, en l’asservissant à l’action de pédalage de l’utilisateur.
Plusieurs solutions existent pour détecter quand et comment réaliser ce surplus de couple par le moteur électrique.
Tout d’abord, l’assistance peut se faire par une détection de la rotation du pédalier. Un capteur agencé au niveau du pédalier détecte la rotation de celui-ci et donc le pédalage, ce qui permet alors au moteur électrique de fournir son en sus du pédalage.
L’assistance peut également se faire au moyen d’un capteur de pression agencé sur la pédale: le moteur peut démarrer dès qu'il sent la pression exercée sur la pédale. En général, plus l'utilisateur appuie sur les pédales, plus le moteur l'aide, même si sa cadence de pédalage est faible.
En lieu et place d’un capteur de pression, la détection peut être faite par un capteur de couple ou d'effort: c'est souvent une combinaison de l’effort et de la cadence de pédalage qui commande la puissance du moteur. Plus le cycliste pédale à une cadence élevée et/ou plus son effort augmente en exerçant un couple élevé, plus il bénéficie d'une assistance, ceci afin de rester dans une plage de vitesse de rotation et une valeur de couple à fournir confortables pour le cycliste.
Enfin, on trouve des assistances dans lesquelles le couple moteur est évalué à partir de la connaissance de la tension de la chaîne. Ce système est très réactif puisque la chaîne se tend dès que le pied est posé sur la pédale, cela déclenchera donc un démarrage du moteur dès que le pédalier va commencer à tourner.
En ce qui concerne les modes d’assistance qui sont appliqués, les lois de commande ou programme d’assistance sont préprogrammés par le fabricant du vélo ou le fournisseur du bloc moteur. L’utilisateur choisit un niveau d’assistance parmi un nombre en général de 3 à 5 niveaux, i.e. une valeur du couple moteur proportionnée à celui de pédalage développé par l’utilisateur.
On peut dire que les lois ou programmes actuels, qui rajoutent donc systématiquement un couple supplémentaire au couple de pédalage, conviennent bien lorsque l’utilisateur se définit un type d’effort sur une durée relativement longue, par exemple en attaquant une montée ou une section assez « roulante ». Ils sont donc bien adaptés à des profils de terrains réguliers.
En revanche, chaque loi de commande est figée puisque préprogrammée et asservit donc le moteur électrique au pédalage fourni tant que l’utilisateur ne change pas de lui-même de loi.
Lors d’essais réalisés par la déposante sur des VTT à assistance électrique existants, avec des utilisateurs sportifs, à la fois en recherche de plaisir, de sensations mais aussi de challenges (y compris) d’efforts d’endurance, il a été constaté que ceux-ci avaient, lors de passages techniques ponctuels, une très forte tendance à vouloir augmenter le niveau d’assistance au maximum. En réalité, ces utilisateurs se servaient ponctuellement du basculement sur un programme avec plus d’assistance (normalement dédié à un usage plus contraignant) comme d’un accélérateur indirect.
Et quand bien même ils utilisent ce programme d’assistance maximale, les utilisateurs sportifs se sont retrouvés confrontés à des situations dans lesquelles l’assistance du moteur électrique ne leur apporte pas pleinement satisfaction.
Cela est particulièrement prégnant, lorsqu’ils font face subitement à un obstacle ou une pente très raide ou qu’ils désirent démarrer instantanément dans des configurations de pentes extrêmes. L’obligation de devoir pédaler pour avoir l’assistance n’était également pas compatible avec des passages en dévers, sur des racines d’arbre ou encore sur des sentiers creusés dans lesquels les pédales accrochent régulièrement un bord plus élevé.
Au contraire, lors des nombreux passages moins exigeants, ils souhaitaient pouvoir pédaler sans aucune assistance, ce qui n’est pas prévu dans les modes proposés. De plus, le poids des vélos proposés ne permet pas toujours de le faire en pratique et très rarement sur une distance significative.
En outre, la conception en série du moteur électrique avec la transmission par pédalage induit des inconvénients majeurs que l’on peut énumérer comme suit.
Tout d’abord, il peut y avoir des casses ou usures prématurées de la transmission (chaîne, pignons, roue libre, ...), car celle-ci n’est pas conçue à l’origine pour transmettre des couples importants du moteur, ce qui s’avère particulièrement vrai dans les situations décrites ci-dessus.
Ensuite, un utilisateur peut éprouver des difficultés importantes à changer les rapports de vitesses lorsque le moteur électrique est en marche et apporte du couple, car il applique une tension importante sur la chaîne. Une solution connue consiste à prévoir des coupures d’alimentation pour réussir ces changements de vitesse, mais ce n’est ni performant, ni confortable à l’usage, puisque cela induit des discontinuités dans la vitesse et dans l’effort de l’utilisateur, sans oublier les chocs créés entre les éléments mobiles de la chaîne de transmission (chaîne, pignons, dérailleur, ...).
Pour satisfaire au mieux les utilisateurs, en particuliers sportifs, certains modèles de vélos à assistance électrique ou de cyclomoteurs proposent un système d'accélérateur par poignée ou gâchette qui permet d’apporter à la roue arrière le couple moteur, sans qu’il soit nécessaire pour l’utilisateur de pédaler.
Ces modèles mettant toujours en œuvre, soit un moteur à la roue arrière qui, par son poids excentré important, se révèle à l’usage très peu adapté aux évolutions en tous terrains, soit une transmission du couple moteur nécessairement en série avec le pédalage, les mêmes inconvénients et limitations qu’évoquées précédemment subsistent.
Il a déjà été proposé des moteurs-roues pour l’assistance électrique des vélos, c’est-à-dire des ensembles avec un moteur électrique incorporé dans la roue en général arrière de vélos. L’utilisation de moteurs roues est une solution intéressante qui permet d’avoir une transmission du couple issu du moteur en parallèle du couple issu du pédalage. Le mécanisme de transmission du moteur roue est par construction très simplifié puisque directement greffé dans le moyeu de la roue arrière. Il comprend souvent le moteur et un réducteur, ce qui constitue déjà un poids important et une inertie en rotation également très élevée. Ce poids et inertie importants ont une influence négative dans la maniabilité du vélo, en particulier lorsque le pilotage doit être précis et rapide. Le poids de plusieurs kilos ajoutés à la roue arrière se ressent encore plus lorsque le vélo n’est pas sur le sol, lors du portage par exemple, mais aussi dans des franchissements où il faut faire décoller la roue arrière et également dans les sauts d’obstacles très présents dans la pratique du vélo tous terrains. C’est enfin, un inconvénient majeur lorsqu’on veut pédaler en danseuse pendant des montées exigeantes, puisqu’une faible inertie du vélo sous le cycliste est un facteur d’efficacité très important.
C’est ainsi que pour la majorité des pratiques, mise à part une utilisation à vitesse modérée sur route ou en ville où on peut pédaler sans forcer et assis sur la selle, l’implantation des moteurs électriques dans la partie centrale des vélos s’est généralisée.
Il a déjà proposé une conception de vélo à assistance électrique selon laquelle le couple moteur est amené sur la roue arrière en parallèle du couple de pédalage : voir par exemple le modèle d’utilité DE20 2016104737. Mais dans cette conception, il est toujours prévu un réducteur de vitesse entre le moteur et le pédalier, ce qui amène les mêmes inconvénients que ceux précédemment évoqués de poids de complexité mécanique accrue et également de perte de rendement. En outre, le moteur est implanté à l’arrière du vélo en porte-à-faux.
On peut citer également les brevets anciens BE 661118A, et US 2331976 qui divulguent une conception de vélo à assistance par moteur thermique avec un couple moteur amenée sur la roue arrière en parallèle du couple de pédalage, avec les mêmes inconvénients encore plus accentués puisqu’un embrayage doit être intégré pour permettre au véhicule de démarrer sans faire caler le moteur thermique. En outre, de nos jours, il n’est plus raisonnable de concevoir des vélos à assistance par moteur thermique.
Aussi, afin d’améliorer les vélos à assistance électrique actuels, la demanderesse a proposé dans la demande de brevet WO2018/229302A1, une conception de vélo selon laquelle la transmission par pédalage classique est combinée à une transmission supplémentaire par moteur électrique qui est en parallèle et complètement découplée de la transmission par pédalage. Le découplage mécanique entre les deux mécanismes de transmission est assuré par deux roues libres, une dédiée au mécanisme de pédalage comme usuellement qui peut être intégrée dans une cassete de pignons, l’autre dédiée au mécanisme du moteur électrique, et qui peut être introduite soit à proximité de la sortie du moteur, soit directement sur l’axe de roue arrière. Cette conception permet d’améliorer considérablement les vélos à assistance électrique actuels notamment pour des utilisateurs sportifs, car l’aide ponctuelle et intense du moteur électrique permet le franchissement instantané d’un obstacle ou d’une pente raide, même sans pédalage et depuis l’arrêt, et ce sans que cela nuise à l’autonomie, c’est-à-dire la capacité du moteur à augmenter très significativement la performance ou à soulager les utilisateurs, très ponctuellement.
Ainsi, avec cette conception, l’utilisateur peut piloter instantanément le moteur électrique pour démarrer et ajuster la vitesse souhaitée du vélo, avec ou sans contribution simultanée du pédalage. La mise en œuvre du couple du moteur peut être limitée à des périodes de temps relativement courtes, et en l’absence de ce couple, le vélo a un comportement identique à celui d’un vélo classique sans assistance électrique.
En outre, comparativement aux vélos à assistance électrique actuels, cette conception à deux chaînes de transmission parallèles permet une meilleure répartition des efforts de chaque côté du moyeu.
Le rapport de démultiplication est obtenu directement entre la sortie du moteur et une couronne de sortie de transmission, solidaire de la roue arrière, ce qui supprime un encombrement et une masse de réducteur couplé au moteur dans les vélos à assistance électrique actuels.
Par ailleurs, les retours d’expérience des vélos à assistances électrique actuels indiquent que les utilisateurs n’ont jamais le même ressenti de comportement et de maniabilité qu’avec un vélo classique sans motorisation.
C’est pourquoi, tout en gardant les avantages de conception d’un vélo conçu selon la demande de brevet WO2018/229302A1 précitée, il existe un besoin d’optimiser l’intégration du moteur, de sa batterie et de l’électronique de commande dans l’architecture du vélo, afin de rendre son comportement et sa maniabilité les plus proches possibles de ceux d’un vélo sans motorisation.
Le but de l’invention est de répondre au moins en partie à ce besoin.
Exposé de l’invention
Pour ce faire, l’invention concerne, sous l’un de ses aspects, un vélo électrique, comprenant :
- un pédalier, comprenant un axe de pédalier; - un moteur électrique d’entraînement, comprenant un stator et un rotor pouvant tourner autour d’un axe de rotor;
- une unité électronique de commande du moteur;
- une batterie et/ou un supercondensateur d’alimentation électrique du moteur;
- un cadre dont la partie avant sous la forme d’un triangle comprend:
• un tube de direction,
• un tube supérieur,
• un tube oblique dont une extrémité est liée au tube supérieur par le tube de direction et l’autre extrémité est liée à un boîtier de pédalier adapté pour loger l’axe de pédalier,
• un mât central dont une zone dans une partie supérieure est liée au tube supérieur et une partie inférieure est liée au boîtier de pédalier et/ou au tube oblique, le mât central étant conformé pour loger en empilement de bas en haut le moteur avec l’axe du rotor à proximité de l’axe du pédalier, l’unité électronique de commande et la batterie et/ou le supercondensateur, ces composants (moteur, unité électronique de commande, batterie) étant quasiment alignés avec l’axe du mât central qui supporte tous les efforts du cycliste sur le vélo.
Ainsi, l’invention consiste essentiellement à intégrer en empilement tous les composants de la motorisation électrique au sein d’un mât central, avec le composant le plus lourd, le moteur au plus près de l’axe de pédalier.
Les composants de la motorisation électrique, que sont la batterie, typiquement de masse entre 800g et l500g, le moteur, typiquement de masse entre entre 2 et 4 kg, l’électronique de commande, typiquement de masse de l’ordre de 300 g, sont alignés sur l’axe du mât central. Par conséquent, ces composants sont quasiment alignés avec l’axe qui supporte tous les efforts du cycliste sur le vélo.
L’axe de sortie du moteur (rotor) étant ainsi au plus près de l’axe du pédalier, la ligne du mécanisme de transmission du couple moteur est bien parallèle à celle du mécanisme de transmission du couple de pédalage, avec des directions de traction quasiment identiques et donc une bonne répartition des efforts sur le moyeu arrière.
En outre, le fait de mettre le moteur en bas et au plus près de l’axe du pédalier, permet un bon équilibre des masses à proximité de ce dernier. En effet, le moteur positionné assez bas permet d’obtenir une meilleure garde au sol. La batterie de masse réduite a une influence réduite.
Typiquement, la distance entre Taxe du rotor du moteur et Taxe de pédalier est inférieure à 12 cm.
La distance entre Taxe longitudinal défini par la batterie et le moteur est quasi parallèle et proche de Taxe défini par la selle et le pédalier. Typiquement, cette distance est inférieure à 6 cm.
Autrement dit, l’intégration en empilement des composants de motorisation dans un mât central, avec le composant le plus lourd (moteur) à proximité immédiate de Taxe du pédalier et la batterie alignée sur Taxe selle- moteur permettent d’obtenir un centrage et un équilibrage optimisés des masses, entre l’avant et l’arrière du vélo d’une part et en faible inertie de rotation autour d’un axe vertical d’autre part.
Par-là, la maniabilité et le ressenti du vélo électrique selon l’invention sont proches de ceux d’un vélo sans motorisation.
Selon un mode de réalisation avantageux, le mât central comprend une enveloppe fixe à l’intérieur de laquelle est monté coulissant un capot de forme complémentaire au moins en partie avec celle de l’enveloppe, le mât central étant ainsi télescopique et/ou réglable.
Selon une variante de réalisation avantageuse, l’enveloppe comprend un profilé obtenu par déformation ou extrusion soudé à un profilé extrudé intégrant un logement formant un tube de selle dans lequel peut s’insérer une tige de selle.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, le mât central comprend un mécanisme de déploiement du mât télescopique, le mécanisme étant de préférence un mécanisme à énergie pneumatique ou hydraulique et à commande hydraulique ou mécanique.
Selon encore un autre mode de réalisation avantageux, la batterie est montée de manière amovible à l’intérieur du mât central.
Selon ce mode, la batterie amovible comprend avantageusement un système de connexion électrique de type plug and play, constitué d’un connecteur électrique adapté pour être connecté directement à un connecteur électrique de type complémentaire de l’unité électronique de commande, lors d’une insertion de la batterie dans le mât central. Le connecteur électrique de l’unité électronique de commande peut être un connecteur mâle de type à broches, tandis que le connecteur électrique de la batterie est un connecteur femelle, complémentaire du connecteur à broches.
Selon une variante avantageuse, le vélo comprend une selle montée sur une pièce intermédiaire pivotante autour d’un axe sur une tige de selle ou sur le mât central, entre une position rabattue sur le mât dans laquelle l’utilisateur peut s’asseoir dessus et une position relevée dans laquelle la batterie amovible peut être extraite du mât central.
Selon une autre variante, le vélo comprend une selle montée sur un chariot monté mobile en translation pour l’avancer ou à l’inverse la reculer par rapport au tube de direction.
Selon un mode de réalisation avantageux, le vélo comprend un système d’indexage, de reprise des efforts et de verrouillage de la batterie dans le mât central.
De préférence, le système d’indexage et de reprise des efforts comprend:
- au moins un relief d’indexage réalisé sur le boîtier de la batterie,
- au moins un doigt d’indexage à effort de rappel, monté mobile en translation entre une position de déverrouillage dans laquelle il est éloigné de la batterie dans sa position connectée et une position de verrouillage dans laquelle il vient coopérer avec le relief d’indexage pour bloquer la batterie dans sa position connectée.
De préférence encore, le doigt d’indexage est accessible depuis l’extérieur du mât central, afin de permettre à un utilisateur d’amener le doigt d’indexage dans sa position de déverrouillage de la batterie et ainsi permettre l’extraction de cette dernière.
Avantageusement, le boîtier de batterie est muni d’un biseau adapté pour faire reculer par appui progressif le doigt d’indexage lors de l’insertion de la batterie jusqu’à ce que la batterie soit connectée et le doigt d’indexage soit en regard du relief d’indexage, ce qui l’amène par l’effort de rappel à coopérer avec ce dernier.
Description détaillée
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d’exemples de mise en œuvre de l’invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue schématique partielle d’un prototype de vélo électrique selon l’invention;
- la figure 2 est une vue de côté de l’arrière du vélo électrique selon la figure 1; - la figure 3 est une vue schématique de côté et partiellement en transparence du cadre de vélo électrique avec mât central selon l’invention ;
- la figure 4 est une vue en coupe transversale d’un mât central de cadre conforme à l’invention ;
- les figure 5A et 5B sont des vues de côté d’un vélo selon l’invention avec le mât central télescopique respectivement en position extrême repliée vers le bas et en position extrême déployée vers le haut ;
- la figure 6 est une vue de côté d’un vélo selon l’invention avec la selle dans une position pivotée vers l’arrière permettant l’extraction de la batterie amovible depuis l’intérieur du mât central ;
- la figure 7 est une vue de côté du mât central conforme à l’invention supportant une selle ;
- les figures 8 et 8 A sont respectivement des vues de l’arrière et en coupe longitudinale selon l’axe A-A d’un mât central selon l’invention sans la présence de la batterie amovible ;
- les figures 9 et 9A sont respectivement des vues de l’arrière et en coupe longitudinale selon l’axe A-A d’un mât central selon l’invention avec la présence de la batterie amovible ;
- les figures 10A à 10C sont des vues de détail du vélo selon la figure 3 et qui montrent les différentes étapes d’indexage et verrouillage, et de déverrouillage d’une batterie amovible dans le mât central.
Par souci de clarté, les mêmes références désignent les mêmes éléments d’un vélo selon l’invention sont utilisées pour toutes les figures 1 à 10C.
On précise ici dans l’ensemble de la présente demande, les termes « inférieur », « supérieur », « dessus », « dessous », « bas », « haut» sont à comprendre par référence à un vélo selon l’invention en configuration de roulage, c’est-à-dire avec les roues au sol et la selle sur le dessus.
Les figures 1 à 3 montrent un vélo électrique 1 selon l’invention.
Le vélo électrique 1 comprend un cadre 2 avec une partie avant 2A une partie arrière 2B comprenant deux haubans arrières 20, 21 entre lesquelles la roue arrière 3 est et maintenue. La partie avant 2A du cadre comprend un tube supérieur 22, un tube oblique 23 lié par une de ses extrémités au tube supérieur 22 par un tube de direction 24 à travers lequel passe l’axe de direction de la fourche avant.
L’autre extrémité du tube oblique 23 est liée à un boîtier de pédalier 25 adapté pour loger l’axe de pédalier.
Les haubans arrière 20, 21 relient chacun le moyeu arrière au tube supérieur 22.
Deux bases arrière 26, 27 relient le moyeu arrière au boîtier de pédalier 25.
Le mécanisme de transmission du couple de pédalage est classique : il comporte depuis le pédalier 4 pouvant tourner autour de l’axe 40, un plateau 41, une chaîne à rouleaux 12, une cassette de pignons autour de l’axe 11 de roue arrière ainsi qu’un premier dispositif à roue libre, non représenté, permettant d’entraîner la roue arrière uniquement dans le sens horaire du pédalage.
Comme visible sur la figure 2, ce mécanisme est implanté comme usuellement c’est-à-dire du côté du hauban arrière à droite 21.
Le vélo 1 comprend également une batterie électrique, de type Li-ion ou Li- Polymère qui alimente, par l’intermédiaire d’une électronique de commande, un moteur électrique 6, de type à balais. Le moteur 6 peut être aussi du type « sans balai ».
Comme visible sur les figures 1 et 2, le moteur électrique 6 est destiné à entraîner directement la roue arrière 3 par l’intermédiaire d’un mécanisme de transmission qui est agencé du côté du hauban arrière 20 à gauche du cadre 2.
Plus précisément, l’arbre de sortie 7 du moteur électrique 6 est muni d’une roue qui constitue la roue d’entrée qui entraîne directement, par l’intermédiaire d’une chaîne à rouleaux 8 ou d’une courroie, la roue de sortie 9, sous la forme d’une couronne, montée sur la roue arrière 3 autour de l’axe 11 de roue arrière.
Un deuxième dispositif de roue libre, non représenté, permet d’entraîner la roue arrière 3 par le biais de la couronne 9 uniquement lorsqu’elle est entraînée dans un sens par le moteur électrique.
Le mécanisme de transmission du couple moteur est donc simple et direct puisqu’il est réalisé sans aucun réducteur de vitesse mécaniquement plus compliqué qui rajouterait d’ailleurs du poids au vélo, comme dans les vélos à assistance électrique selon l’état de l’art. De manière avantageuse, le rapport de démultiplication entre la sortie du moteur et la couronne 9 sur le moyeu arrière est compris entre 1/20 et 1/4, de préférence entre 1/12 et 1/6.
A titre d’exemple, la roue de sortie 7 du moteur peut comporter entre 8 et 15 dents et la roue de sortie 9 sur le moyeu arrière entre 60 et 120 dents. Lorsque l’élément de transmission est une courroie, le pas est beaucoup plus petit et les nombre de crans plus grand, typiquement égal à 21 en sortie moteur et 180 sur la roue de sortie 9.
Selon l’invention, le cadre 2 comprend un mât central 5 composé de deux parties, une partie 50 étant fixe et l’autre 51 coulissante formant un logement à l’intérieur duquel sont empilés et fixés les uns au-dessus des autres, le moteur électrique 6, l’unité électronique de commande 60 du moteur et la batterie d’alimentation électrique 61.
Comme visible sur la figure 3, une extrémité inférieure 50 du mât central 5 est liée au boîtier de pédalier 24 et le cas échéant au tube oblique 23, tandis qu’à une distance correspondant au 2/3 environ de sa hauteur, le mât central 5 est lié au tube supérieur 22, de préférence à une partie horizontale 28 de ce dernier. Les liaisons entre tubes 22, 23, 28 et au boîtier de pédalier 24 et mât central 5 sont de préférence réalisées par soudures lorsque le cadre est métallique.
L’unité électronique de commande 60 est avantageusement fixée sur un support de maintien à l’intérieur du mât 50, de préférence par l’intermédiaire d’une ou plusieurs attaches souples ou blocs amortisseurs adaptés pour absorber les chocs principalement verticaux venant du poids de la batterie et/ou du terrain sur lequel le vélo 1 circule.
L’unité électronique de commande 60 peut comporter une ou plusieurs cartes électroniques, par exemple une carte électronique dédiée à la puissance électrique et une carte électronique dédiée notamment à la commande du moteur. Cette électronique peut également gérer une récupération d’énergie depuis le moteur vers la batterie. La liaison électrique entre l’unité électronique 60 et le moteur électrique peut être assurée par tout fil d’alimentation classique.
Le mât central 5 est conformé pour maintenir latéralement et longitudinalement au plus près la batterie 60 pour ne pas engendrer ou reporter les efforts ou chocs subis sur l’unité électronique de commande 60. Le mât central 5 est de préférence télescopique pour permettre de relever ou à l’inverse d’abaisser la selle 10 y compris sans s’arrêter et sans descendre du vélo et de franchir alternativement des passages en montée et en descente.
Pour ce faire, le mât central 5 comprend une enveloppe fixe 50 qui constitue la base du mât sur laquelle sont liés les différents tubes 22, 23, 28 et boîtier de pédalier 24, et un capot 51 qui est monté coulissant à l’intérieur de l’enveloppe fixe 50.
Le capot 51 est de forme complémentaire au moins en partie avec celle de l’enveloppe fixe 50. La forme extérieure donnée au capot 51 lui confère un aspect esthétique en harmonie avec le design global du vélo 1. En outre, le capot 51 est conformé pour former une barrière de protection contre toute infiltration de matière (eau, boue,...) à l’intérieur du mât central 5.
En outre, le capot 51 a pour fonction de renforcer la rigidité en rotation de la selle autour de la tige télescopique ainsi que d’assurer le guidage de la batterie et son accessibilité pour l’enclencher lors de sa mise en place et l’enlever. Ceci nécessite un ajustement mais également un jeu fonctionnel pour permettre les mouvements décrit ci- dessous.
Pour assurer le déploiement du mât télescopique 5, c’est-à-dire le déploiement du capot 51 vers le haut de l’enveloppe fixe 50, un mécanisme d’assistance, de préférence pneumatique et actionné par une commande hydraulique peut être agencé dans le mât central 5. Le mécanisme d’assistance peut être avantageusement prévu avec un effort de retour limité.
Ce type de composant est disponible sous une forme complète de « tige télescopique », mais il est également possible de réaliser une intégration d’un mécanisme hydraulique ou pneumatique qui se sert alors de guidage cinématique réalisé par la complémentarité entre capot 51 et enveloppe 50, éventuellement complété par un guidage plus ajusté entre tige de selle et tube de selle.
Pour le repliement du mât télescopique 5, c’est-à-dire le repliement du capot 51 vers l’intérieur de l’enveloppe fixe 50, le poids de l’utilisateur peut suffire.
Le coulissement du capot 51 à l’intérieur de l’enveloppe fixe 50 est prévu avec un jeu fonctionnel avec la batterie 61. Ce jeu fonctionnel et les matériaux de ces pièces 50, 51 permettent au capot 51 de coulisser au plus près de la batterie 61, de préférence sur les arêtes de son boîtier. Un exemple de réalisation avantageux de l’enveloppe fixe 50 est montré en figure 4.
Elle comprend à l’arrière un logement 53 de type « tube de selle » et section circulaire dans lequel une tige de selle 52 peut coulisser, et à l’avant un logement principal 54 définissant le volume de rangement de la batterie 61.
La hauteur de l’enveloppe 50 est dimensionnée pour tenir compte du réglage en hauteur de la selle 10 et du débattement du capot 51 télescopique.
Telle qu’illustrée en figure 4, l’enveloppe 50 comprend un profilé obtenu par déformation qui délimite le logement principal et qui est soudé à un profilé extrudé 55 intégrant le logement 53 de la tige de selle 52.
Les positions extrêmes repliée et déployée du mât télescopique 5 sont montrées respectivement en figures 5A et 5B.
Les axes des enveloppe fixe 50 et du tube de selle 53 sont parallèles entre eux, avec un angle d’inclinaison a par rapport à l’horizontale qui peut être plus faible que sur un vélo classique. De préférence, l’angle a peut être compris entre 60 et 75°, de préférence encore entre 67 et 73°, avantageusement égal à 70 °.
Selon un mode de réalisation avantageux, la batterie 61 est montée de manière amovible à l’intérieur du mât central 5, de manière à pouvoir la transporter, l’échanger et la recharger à souhait.
Pour ce faire, la selle 10 est montée pivotante autour d’un axe horizontal 100 par rapport au capot 51, de manière à laisser l’accès manuel à l’intérieur du mât central 5.
Plus précisément, la selle 10 est montée par l’intermédiaire d’un support-chariot 101 de selle sur un sous-ensemble 102, 103. Le chariot 101 permet un réglage de l’assiette et de l’avancement de la selle 10 vers l’avant du vélo ou son recul vers l’arrière.
Le sous-ensemble est constitué de deux pièces, une 102 pouvant pivoter autour de l’axe de pivotement 100 tandis que l’autre 103 est fixée en haut de la tige de selle 52.
Le capot 51 est aussi fixé sur la pièce fixe 103 du sous-ensemble. Lorsque la pièce 102 est dans sa position extrême rabattue, elle vient obturer haut du capot 51. Dans cette position, la pièce 102 est fixée par un axe traversant situé plus en avant qui permet de solidariser les pièces 102 et 103 du sous-ensemble. Ainsi, la selle 10 constitue avec le chariot 101 et le sous-ensemble 102, 103 un ensemble mécanique solidarisé avec le capot 51 en le fermant sur le haut et le solidarise avec le mécanisme télescopique de selle.
La position extrême pivotée vers le haut, correspondant à une position au moins verticale, est montrée en figure 6. Dans cette position, qui est au minimum verticale, l’ensemble constitué par la selle 10, le chariot 101 et le sous-ensemble 102, 103 est de préférence maintenu par son propre poids ou vient en butée sur l’arrière de manière à complètement dégager l’espace nécessaire à l’introduction de la batterie 61 dans le mât central.
Pour assurer la connexion électrique directe entre la batterie 61 et l’unité électronique de commande 60, un système de connexion électrique de type plug-and-play est prévu.
Plus exactement comme montré aux figures 8, 8A, 9 et 9A, l’unité électronique de commande 60 comprend un connecteur électrique 600, de type mâle, de préférence sous la forme de broches, qui est adapté pour coopérer par emboîtement avec un connecteur électrique femelle 610, représenté partiellement sur 9A, qui est réalisé dans la partie inférieure de la batterie 61.
Pour indexer et verrouiller la batterie amovible 61 à l’intérieur du mât central 5, un système d’indexage et de verrouillage est avantageusement prévu.
Ce système est montré aux figures 10A à 10C, sur lesquelles les flèches symbolisent les sens de déplacement des différents éléments.
Il comprend tout d’abord une gorge ou cavité borgne de verrouillage 611 réalisé sur la périphérie de la partie inférieure du boîtier de la batterie 61.
La partie inférieure du boîtier de batterie présente en outre un biseau 612 dont le rôle est expliqué ci-après.
Pour coopérer avec la gorge de verrouillage 611 , un doigt d’indexage et de reprise d’efforts 200 est monté mobile en translation entre une position extrême déployée de déverrouillage qui permet l’introduction/l’extraction de la batterie 61 dans le mât central 5 et une position extrême insérée de verrouillage dans laquelle il est inséré dans la gorge de verrouillage 611. Le doigt d’indexage et de reprise d’efforts 200 est équipé d’un moyen de rappel pour exercer un effort de rappel automatique du doigt de sa position extrême déployée à sa position extrême insérée.
Pour que l’utilisateur est ait accès au déverrouillage depuis l’extérieur, le doigt 200 traverse l’enveloppe fixe 50.
Le fonctionnement du système d’indexage et de reprise des efforts est expliqué en détail en référence aux figures 10A à 10C.
Lorsque l’utilisateur insère la batterie 61 dans le mât central 5, le doigt d’indexage et de reprise d’efforts est dans sa position extrême insérée dans le mât 5 (figure 10A).
Lorsque la partie inférieure de la batterie 61 arrive en appui contre le doigt 200, celui-ci est déplacé progressivement vers l’extérieur du mât 5 par le biseau 612 (figure 10B).
L’utilisateur continue l’insertion de la batterie 61 jusqu’à celle soit connectée mécaniquement et électriquement à l’unité électronique de commande 60 par le biais du système de connexion 600, 610.
Simultanément à cette connexion ou après, le doigt 200 s’insère automatiquement dans la gorge de verrouillage 611 sous l’effet du système d’effort de rappel (figure 10C).
Ainsi, dans sa position connectée électriquement, la batterie 61 est verrouillée à l’unité électronique de commande 60. Le verrouillage ainsi réalisé permet de maintenir une connexion électrique fiable quelles que soient les sollicitations et positions du vélo selon l’invention.
Le doigt 200 logé dans la gorge de verrouillage 611 permet également de reprendre les efforts appliqués par la batterie 61, notamment dûs à son propre poids en sus fortement augmenté lors des accélérations sur des chocs verticaux de la pratique tous terrains notamment, ce qui permet de soulager l’unité électronique de commande 60 qui n’a donc pas à supporter lesdits efforts.
Bien entendu, le capot 51 comprend un ajour 510 sur une longueur suffisante pour permettre le passage du doigt d’indexage et de reprise d’efforts 200 sur toute la course de déploiement télescopique du capot 51.
D’autres variantes et réalisations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l’invention qui vient d’être décrite. Ainsi, dans les modes de réalisation illustrés, le capot est un profilé qui constitue à la fois un élément esthétique et un élément de protection de l’intérieur du mât central contre les entrées/infiltrations (eau, boues...), la tige de selle est une tige classique ou télescopique, de section circulaire qui vient coulisser dans le tube 53 intégré directement dans l’enveloppe fixe pour le réglage en hauteur de la selle. Autrement dit, dans ces modes le capot n’a pas de fonction structurelle de support de poids d’utilisateur.
En lieu et place d’une tige de selle classique, on peut tout aussi bien prévoir de conférer au capot esthétique et de protection mécanique, une fonction structurelle de support de selle. Ainsi, ce capot assurera à la fois un guidage et un report des efforts appliqués à la selle (poids du cycliste) vers l’enveloppe fixe et le reste du cadre.
Si dans les modes de réalisation illustrés, le connecteur mâle 600 du système de connexion directe entre unité électronique de commande 60 et baterie 61, est prévu sur l’unité 60 et celui femelle complémentaire sur la batterie 61, on peut tout-à-fait envisager l’inverse.
On peut envisager d’implanter dans l’empilement à l’intérieur du mât central, en lieu et place de la batterie ou en sus de celle-ci, un supercondensateur. Dans ce cas, le supercondensateur peut être implanté entre la batterie et entre l’unité électronique de commande.
L’expression « comportant un » ou « comprenant un » doit être comprise comme étant synonyme de « comportant au moins un », sauf si le contraire est spécifié.

Claims

REVENDICATIONS
1. Vélo électrique (1), comprenant :
- un pédalier (4), comprenant un axe de pédalier (40);
- un moteur électrique d’entraînement (6), comprenant un stator et un rotor pouvant tourner autour d’un axe de rotor;
- une unité électronique (60) de commande du moteur;
- une batterie et/ou un supercondensateur d’alimentation électrique (61) du moteur;
- un cadre (2) dont la partie avant (2A) sous la forme d’un triangle comprend:
• un tube de direction (25),
• un tube supérieur (22, 28),
• un tube oblique (23) dont une extrémité est liée au tube supérieur par le tube de direction et l’autre extrémité est liée à un boîtier de pédalier (24) adapté pour loger l’axe de pédalier,
• un mât central (5) dont une zone dans une partie supérieure est liée au tube supérieur et une partie inférieure est liée au boîtier de pédalier et/ou au tube oblique, le mât central étant conformé pour loger en empilement de bas en haut le moteur avec l’axe du rotor à proximité de l’axe du pédalier, l’unité électronique de commande, et la batterie et/ou le supercondensateur, ces composants (moteur, unité électronique de commande, batterie) étant quasiment alignés avec l’axe du mât central qui supporte tous les efforts du cycliste sur le vélo.
2. Vélo électrique selon la revendication 1, le mât central (5) comprenant une enveloppe (50) fixe à l’intérieur de laquelle est monté coulissant un capot (51) de forme complémentaire au moins en partie avec celle de l’enveloppe (50), le mât central étant ainsi télescopique et/ou réglable.
3. Vélo électrique selon la revendication 2, l’enveloppe (50) comprenant un profilé obtenu par déformation ou extrusion (54) soudé à un profilé extrudé (55) intégrant un logement formant un tube de selle (53) dans lequel peut s’insérer une tige de selle (52).
4. Vélo électrique selon la revendication 2 ou 3, le mât central (5) comprenant un mécanisme de déploiement du mât télescopique, le mécanisme étant de préférence un mécanisme à énergie pneumatique ou hydraulique et à commande hydraulique ou mécanique.
5. Vélo électrique selon l’une des revendications précédentes, la batterie étant montée de manière amovible à l’intérieur du mât central (5).
6. Vélo électrique selon la revendication 5, la batterie amovible (61) comprenant un système de connexion électrique de type plug and play, constitué d’un connecteur électrique (610) adapté pour être connecté directement à un connecteur électrique (600) de type complémentaire de l’unité électronique de commande, lors d’une insertion de la batterie dans le mât central (5).
7. Vélo électrique selon la revendication 6, le connecteur électrique (600) de l’unité électronique de commande étant un connecteur mâle de type à broches, tandis que le connecteur électrique de la batterie est un connecteur femelle, complémentaire du connecteur à broches.
8. Vélo électrique selon l’une des revendications 5 à 7, comprenant une selle (10) montée sur une pièce intermédiaire (102) pivotante autour d’un axe (100) sur une tige de selle (52) ou sur le mât central (5), entre une position rabattue sur le mât dans laquelle l’utilisateur peut s’asseoir dessus et une position relevée dans laquelle la batterie amovible peut être extraite du mât central (5).
9. Vélo électrique selon l’une des revendications précédentes, comprenant une selle montée sur un chariot monté mobile en translation pour l’avancer ou à l’inverse la reculer par rapport au tube de direction.
10. Vélo électrique selon l’une des revendications 5 à 9, comprenant un système d’indexage, de reprise des efforts et de verrouillage de la batterie dans le mât central (5).
11. Vélo électrique selon la revendication 10, le système d’indexage et de reprise des efforts comprenant :
- au moins un relief d’indexage (612) réalisé sur le boîtier de la batterie,
- au moins un doigt d’indexage (200) à effort de rappel, monté mobile en translation entre une position de déverrouillage dans laquelle il est éloigné de la batterie dans sa position connectée et une position de verrouillage dans laquelle il vient coopérer avec le relief d’indexage pour bloquer la batterie dans sa position connectée.
12. Vélo électrique selon la revendication 11, le doigt d’indexage étant accessible depuis l’extérieur du mât central (5), afin de permettre à un utilisateur d’amener le doigt d’indexage dans sa position de déverrouillage de la batterie et ainsi permettre l’extraction de cette dernière.
13. Vélo électrique selon la revendication 11 ou 12, le boîtier de batterie étant muni d’un biseau adapté pour faire reculer par appui progressif le doigt d’indexage lors de l’insertion de la batterie jusqu’à ce que la batterie soit connectée et le doigt d’indexage soit en regard du relief d’indexage, ce qui l’amène par l’effort de rappel à coopérer avec ce dernier.
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