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WO2013178890A1 - Système de stockage et restitution d'énergie pour cycle et cycle équipe d'un tel système - Google Patents

Système de stockage et restitution d'énergie pour cycle et cycle équipe d'un tel système Download PDF

Info

Publication number
WO2013178890A1
WO2013178890A1 PCT/FR2013/000137 FR2013000137W WO2013178890A1 WO 2013178890 A1 WO2013178890 A1 WO 2013178890A1 FR 2013000137 W FR2013000137 W FR 2013000137W WO 2013178890 A1 WO2013178890 A1 WO 2013178890A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rim
energy
input
flywheel
wheel
Prior art date
Application number
PCT/FR2013/000137
Other languages
English (en)
Inventor
Jean-Pierre Mercat
Original Assignee
Mavic S.A.S.
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 Mavic S.A.S. filed Critical Mavic S.A.S.
Publication of WO2013178890A1 publication Critical patent/WO2013178890A1/fr

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
    • B62M1/00—Rider propulsion of wheeled vehicles
    • B62M1/10—Rider propulsion of wheeled vehicles involving devices which enable the mechanical storing and releasing of energy occasionally, e.g. arrangement of flywheels

Definitions

  • the present invention relates to a system for storing and restoring energy for a vehicle.
  • the invention relates to a storage and energy recovery system for a cycle, and a cycle equipped with such a system.
  • a cycle such a system is useful especially when the cyclist needs a power that it is difficult to deliver only by conventional pedaling, for example to revive or climb a hill more easily.
  • Some known cycles incorporate an energy storage system that assists the cyclist when needed.
  • some cycles are equipped with an electric battery powering an electric motor that helps the cyclist pedaling.
  • the battery is recharged by the pedaling movement of the cyclist.
  • Electric batteries are expensive and wear out gradually during charging and discharging cycles.
  • this system generates losses during the storage of electrical energy in the battery, as well as losses related to the internal resistance of the battery, during the return of the electrical energy.
  • the conversion of electrical energy into mechanical energy generates yield losses.
  • the efficiency of the electric motor degrades the performance of this system.
  • Hybrid vehicles usually include an electric battery, an electric motor, and a complex system for managing the battery and the engine. This system has a large number of parts, which is not suitable for cycles that have a reduced size and whose mass must not be too large.
  • Some vehicles are equipped with a flywheel to store and return kinetic energy and return it in time.
  • a flywheel it is often necessary to associate the flywheel with a complex speed variator because the transmission ratio between the transmission of the vehicle and the flywheel must vary in very high ratios with extremely high transient powers.
  • Such a variable speed drive is not suitable for a cycle because of its size and mass.
  • the object of the invention is to provide a system for storing and restoring inertia which does not suffer from the disadvantages of the systems of the prior art.
  • the invention aims to provide a storage system and energy recovery for a cycle having a footprint and a low mass, simple and inexpensive design, with good performance and low wear over time.
  • the subject of the invention is a system for storing and restoring energy, characterized in that it comprises:
  • a torque transmission chain from a motor element (pedal / electric motor) to said rim so as to put the rim or element kinematically connected thereto in rotation relative to said shaft;
  • an epicyclic gear train having a first, a second and a third input / output part and a selective coupling mechanism of said second input / output part;
  • the first input / output part is constituted by said rim or said element kinematically connected to the rim
  • the third input / output part is a flywheel movable in rotation relative to the shaft capable of storing a kinetic energy and then transmitting it to the rim or to said element which is kinematically connected to it; and for which, in the energy restoration configuration, the second input / output part is connected to the torque transmission chain.
  • the flywheel is directly connected to one of the input / output parts of the epicyclic gear and the rim of the wheel, itself, is connected to another input / output part of the train, it is has a system where the flywheel can directly restore energy to the rim, without other intermediary.
  • This system has a relatively low weight in comparison with other energy recovery systems, which makes it particularly suitable for cycles, including the cycles driven by human strength ..
  • This system also has a low cost because it incorporates little the rooms.
  • the steering wheel can be made of inexpensive material such as steel.
  • this system is high, that is to say it is capable of storing a large amount of energy relative to its mass. Unlike systems that include an electric battery, this system has no wear associated with charging and discharging cycles. According to advantageous but non-obligatory aspects of the invention, such a system for storing and restoring energy may incorporate one or more of the following characteristics, taken in any technically permissible combination:
  • the epicyclic gear train has: - an energy storage configuration, in which the second input / output part is locked with respect to the shaft; and an energy restitution configuration in which the second input / output part is locked with respect to the torque transmission chain.
  • the epicyclic gear comprises a ring gear internally secured to the rim, a carrier and a sun gear fixed to the flywheel.
  • the coupling mechanism comprises a movable clutch which, in the energy storage configuration, immobilizes the satellite carrier and, in the stored energy recovery configuration, connects the carrier to the transmission chain.
  • the epicyclic train has a neutral configuration, in which the pedaling of the cyclist does not involve storing kinetic energy in the flywheel and in which the cyclist does not recover kinetic energy stored by the flywheel.
  • the coupling mechanism comprises a clutch which, in the neutral configuration, releases the rotation of the satellite door (blocks the rotation) of the flywheel.
  • a freewheel mechanism connecting the flywheel to the hub of the wheel and automatically blocking the rotation of the flywheel when its kinetic energy is fully restored.
  • the invention also relates to a driving wheel for a cycle, equipped with a storage system and kinetic energy recovery as described above and a cycle equipped with such a wheel.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a cycle wheel including a system for storing and restoring energy in accordance with the invention
  • FIG. 2 is a cutaway perspective view of the wheel of FIG. 1;
  • FIG. 4 is an enlarged view of detail IV in FIG. 3;
  • FIGS. 5, 6 and 7 are partial perspective views of the wheel, respectively in an energy storage configuration, in an energy recovery configuration and in a neutral configuration
  • FIGS. 8, 9 and 10 are simplified diagrams of the wheel, respectively in the energy storage configuration, in the configuration of restitution of the stored energy and in a neutral configuration
  • FIGS. 1, 12 and 13 are simplified diagrams of the wheel, respectively in the energy storage configuration, in the configuration of restitution of the stored energy and in a neutral configuration.
  • FIG. 14 is a simulation graph, representing the speed as a function of the distance traveled for a record-ironed flatbed bicycle, with a standard transmission (dashed curve), and with a kinetic wheel according to the invention in strong line.
  • FIG. 15 represents the simulation of the rotational speeds with respect to the bicycle, the various elements composing the invention, speed of the kinetic flywheel in radians per second, speed of the satellite door in radians per second, speed of the rim of the wheel. driving the bike in radian per second and the pedaling speed of the cyclist expressed in revolutions per minute, and their respective evolution as a function of time expressed in seconds.
  • FIG. 16 represents a balance of the powers as a function of time expressed in seconds, on the record simulation of FIG. 14 with the kinetic wheel according to the invention.
  • FIG. 17 shows a bicycle equipped with a system for storing and recovering energy according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 18 shows a bicycle equipped with a storage system and energy recovery according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 19 shows a bicycle equipped with a storage system and energy recovery according to another embodiment of the invention.
  • Figures 1 to 3 show a rear wheel 100 of a cycle, rotatable about a hollow hub or shaft 6 extending along an axis of rotation X of the wheel 100.
  • the ends 62 and 63 of the shaft 6 are threaded and each cooperate with two nuts 76a or 76b provided to secure the shaft 6 to the frame of the cycle, not shown.
  • the wheel 100 comprises a rim 3 and a tire, not shown, mounted on the rim 3.
  • the rim 3 comprises a body 31 receiving the tire, and a cover 32 assembled to the rim body 31 by means of screws A When they are assembled, the rim body 31 and the cover 32 delimit a volume having generally the geometry of a disc.
  • the rim body 31 comprises a hub 35 centered on the X axis, mounted free to rotate relative to the shaft 6, about the X axis, by means of bearing bearings 93 and 94 of the type bearing. balls.
  • the cover 32 is also rotatably mounted relative to the shaft 6, about the axis X, via a bearing bearing 98 of the ball bearing type. As can be seen in FIG.
  • the freewheel body 8 is hollow and is provided with an internal toothing 83.
  • Three pawls 84 angularly separated from each other by 120 ° about the X axis are pushed radially by 3 small springs (not shown), thus the 3 pawls 84 interact with the internal toothing 83 of the freewheel body 8 in a unidirectional manner, for selectively securing the freewheel body 8 to the hub 35 when the freewheel body 8 is driving relative to the hub 35 because the cyclist exerts a driving force in rotation of the freewheel body 8, by means of the chain.
  • the pawls 84 allow a unidirectional rotation of the hub 35 relative to the freewheel body 8 and do not oppose the rotation of the wheel 100 when the cyclone stops pedaling or more generally, when the wheel 3 rotates faster than the freewheel body 8.
  • a brake disc 34 is fixed to the cover 32 of the rim 3 by screws C.
  • the cycle is equipped with a brake shoe not shown, receiving the brake disc 34.
  • An “epicyclic gear” type system is housed inside the volume delimited by the rim 2.
  • This epicyclic gear train moves around the shaft 6, which is fixed relative to the frame of the cycle, and consists firstly of a outer ring 33 which has an internal toothing 38 and which is fixed to the rim body 31 by means of screws B.
  • the epicyclic gear train also comprises a planet carrier 2 comprising two arms 23a and 23b aligned with each other and fixed on either side of an annular body 21 mounted free to rotate on the shaft 6, around the X axis, through a bearing bearing 95 of the ball bearing type.
  • Two satellites 4a and 4b each having an external toothing 41 are rotatably mounted about an axis X4a or X4b, relative to the ends of the arms 23a and 23b opposite the annular body 21, by means of support bearings 95a. and 95b.
  • the external toothing 41 of each satellite 4a and 4b meshes with the internal toothing 38 of the outer ring 33.
  • the epicyclic gear also comprises a flywheel 1 mounted free to rotate relative to the shaft 6, about the axis X, by means of support bearings 96 and 97.
  • the flywheel 1 comprises a central gear 11 provided with an external toothing 13 which meshes with the external teeth 41 of the satellites 4a and 4b.
  • the steering wheel 1 corresponds to the "sun gear" of a conventional epicyclic gear train.
  • the steering wheel 1 has a peripheral solid portion 12 which gives the steering wheel 1 a mass of about 3.4 kg and a rotational inertia of about 70 g. m 2 .
  • the flywheel 1 or "flywheel” is used to store a portion of the cyclist's mechanical energy pedaling. In case of need of power, the cyclist can recover this stored kinetic energy, in particular to revive or climb a hill more easily.
  • the ring 33, and therefore the rim 3 which is secured thereto, the steering wheel 1 and the satellite carrier 2 therefore constitute the three input / output parts of the epicyclic gear train.
  • these three pieces will be either inputs - they will then be driving - or outputs - they will then be conducted.
  • the planetary gear train has three operating configurations:
  • FIGS. 5 and 8 a storage configuration, represented in FIGS. 5 and 8, in which a part of the cyclist's mechanical pedaling energy is stored in the flywheel in the form of rotational kinetic energy, this phase being represented in FIG. 14 between the zero distance and the distance of 6000 meters.
  • FIGS. 6 and 9 a restitution configuration, represented in FIGS. 6 and 9, in which the stored kinetic energy is restored in the form of a driving torque enabling the wheel 100 to be rotated, this configuration is represented in FIG. distances greater than 6000 m, this configuration is shown in Figures 15 and 16 for a time between 317 s and 569 s
  • the change of configuration is achieved by the cyclist, by means of an actuating member 7 acting on a clutch 5 mounted on the shaft 6, between the freewheel body 8 and the pinion gear 11 of the flywheel 1.
  • the satellite door 2 which is rotatably connected with the claw 5, does not interact with the epicyclic gear or is blocked in rotation with the shaft 6 is solidarise in rotation with the pinion motor 81
  • the dog 5 is in the form of a ring in which is formed an inner circumferential groove 54.
  • the shaft 6 has an oblong hole 61 whose length is oriented parallel to the axis X.
  • a pin 73 of square section is disposed in the slot 61 of the shaft 6.
  • the length of the slot 61 is greater than the length of the sides of the pin 73.
  • the pin 73 is movable in translation in the slot 61.
  • the ends of the pin 73 are housed in the circular groove 54 of the dog clutch 5, so the dog 5 can pivot freely around the axis X but the dog is found linked in translation to the pin 73.
  • the actuating member 7 comprises a rod 71 which is fixed to the pin 73 and extends inside the shaft 6. At the opposite of the pin 73, the rod 71 is extended by a chain 72 which protrudes outside the shaft 6, on the opposite side to the freewheel body 8.
  • the chain 72 is connected to a control cable, not shown, actuated by the cyclist by means of a lever attached to the handlebar of the cycle.
  • the clutch 5 can thus move in translation between the freewheel body 8 and the toothed gear 11 of the flywheel 1.
  • a return spring 74 is housed in the shaft 6, around the stem 71 of the clutch member. coupling 7, and pushes the pin 73 by default towards the freewheel body 8.
  • each axial end 51 and 52 of the clutch 5 has notches which form slots 55.
  • the slots 55 of the first axial end 51, which is situated on the side of the freewheel body 8, are adapted to engage a crenellated ring 85 fixed at the level of the freewheel body 8, so as to rotate the dog clutch 5 with the drive pinion 81 about the X axis.
  • the crenellations 55 of the second axial end 52 of the clutch 5, which is located on the side of the flywheel 1, are adapted to engage with a crenellated ring 64 attached to the shaft 6, so as to firmly rotate the clutch 5 to the shaft 6, around the axis X.
  • the outer peripheral surface of the clutch 5 has longitudinal grooves forming splines 53.
  • the annular body 21 of the planet carrier 2 has internal splines 22 which are adapted to cooperate with the grooves 53 of the clutch 5, so as to to secure in rotation, about the X axis, the clutch 5 with the planet carrier 2.
  • the clutch 5 is linked in rotation to the satellite door 2 about the X axis, and linked in translation to the control pin 73 along the X axis.
  • the satellite gate 2 which is rotatably connected with the clutch 5 can either be connected in rotation with the shaft 6 by locking in rotation, or be connected in rotation with the pinion 81, or remain completely free to rotate in the neutral position.
  • the ratio Z1 / Z3 is therefore equal to 12.
  • the epicyclic train comprises three mechanical input and output parts: the ring 33, sometimes called the outer planet, the planet carrier 2 and the sun gear 1 1 sometimes called inner planet. These three parts 1, 2, 3 have different speeds of rotation which are given by a single mathematical relation, namely the relation (1). Thus, it is necessary to set the speed of rotation of two parts, to know the speed of rotation of the third part.
  • the epicyclic gear train has two inputs and an output or an input and 2 outputs.
  • the rim 3 constitutes the entry because it is this driving part that will transmit a driving torque to the epicyclic gear train by the ring gear 33, the planet carrier 2 is locked to the shaft 6 while the steering wheel 1 will be an output because it will be driven by the epicyclic train receiving power.
  • the steering wheel 1 will this time be an input because its deceleration will provide a driving torque to the epicyclic gear train, the satellite carrier will be at its engine as the motor gear of the cyclist will also provide a driving torque to the engine.
  • epicyclic train while the wheel 3 will be a receiver receiving a couple from the wheel and the cyclist who will provide a power to the wheel.
  • the kinetic energy storage configuration is shown in FIGS. 5 and 8.
  • the cyclist by means of the control lever, pulls on the chain 72 so as to translate the clutch 5 towards the linked castellated ring 65. to the shaft 6 by moving the dog 5 away from the freewheel body 8, against the force exerted by the return spring 74.
  • the crenellations 55 of the end 52 of the clutch 5 come into engagement with the crenellated ring 64 fixed to the shaft 6, the satellite door is thus rotatably connected to the shaft 6, about the axis X.
  • the shaft 6 is fixed relative to the frame of the cycle, this which has the effect of immobilizing the rotation of the planet carrier 2 relative to the frame of the cycle.
  • the cyclist when the cyclist begins to pedal, he drives the drive pinion 81 of the freewheel body 8 and the pawls 84 implanted in the hub 35 of the rim 3, lock in the toothing 83 of the freewheel body 8 so as to drive the rim 3 into rotation.
  • the satellites 4a and 4b are rotated around their axes X4a and X4b by meshing with the outer ring 33 which is fixed to the rim 3.
  • the satellites 4a and 4b then drive the steering wheel 1 in rotation, by meshing with the pinion gear 11, while the carrier remains stationary relative to the shaft 6.
  • ⁇ 3/0 - Z1 / Z3.
  • ⁇ i / o - 1/12.
  • the steering wheel 1 will therefore turn in a direction opposite to that of the rim 3, and at a speed 12 times greater.
  • the cycle has several transmission ratios, it is preferable to use a small transmission ratio to initiate the rotation of the steering wheel 1 which requires a relatively large torque given its mass. As the cyclist is gaining speed, it is desirable that he change transmission ratio to adapt his pedaling rate to a frequency allowing him to transmit to the wheel 1 a maximum of energy.
  • the apparent mass ma 177 Kg of the flywheel 1, that is to say the mass of a virtual object which has a translation inertia equal to the rotational inertia of the flywheel 1
  • the steering wheel 1 which rotates 12 times faster than the rim 3 and weighs 3.4 kg, stores the same energy as a mass of 177 kg in translation at the same speed as the cycle, almost twice as much as the total mass of the cycle and the cyclist.
  • the total kinetic energy in this first phase of operation is thus almost 3 times greater than the kinetic energy of the cycle alone.
  • Figure 14 shows the simulation of speed increase versus distance traveled, for a record-lined bike with a very low aerodynamic drag, with a cyclist providing a supposed constant power of 425 Watt over the entire duration of the record, the road being considered perfectly flat.
  • the first simulation in dashed line simulates the rise in speed of a record cycle of the prior art, we can see that after 6000 meters traveled the bike is already rolling at the speed of 111 Km / h and that after 8000 meters or 2000 meters later it will have gained only 4 km / h additional, ie after 75% of the distance traveled the speed reached is already greater than 96% of the final speed, this rise in Asymptotic speed is due to the fact that the aerodynamic drag increases very rapidly with the square of the speed while the driving force developed by the cyclist decreases inversely with the speed when the power is constant, so the cyclist can no longer increase his speed. because the aerodynamic drag and the friction of bearings converge very quickly towards the driving force of the cyclist.
  • the second simulation begins with a storage phase up to the distance of 6000 meters, then switches to the restitution phase from 6000 meters to reach a very high speed in the timing zone of the last 200 meters between 7800 and 8000 meters. From the start the acceleration is lower than for the simulation of the prior art, because the apparent mass of the kinetic flywheel of 177 kg, is added to the total mass and thus decreases the initial acceleration of the cycle, on the other hand as the speed is lower there is much less loss associated with the aerodynamic drag, so after 6000 meters traveled the cyclist only rolls 97 km / h instead of 111 km / h and it will take 317 seconds instead of 254 seconds for the cycle of the prior art.
  • the power is constant, the energy or the mechanical work is proportional to the duration, so in the first 6000 meters the cyclist will have provided a mechanical work of 135 KiloJoule whereas in the version of the prior art it will not will have provided that 108 KJ, more at the end of this storage area the kinetic steering wheel will have stored 64.1 KJ is almost half (47.5%) of the total work provided by the cyclist since departure.
  • the restitution configuration of the stored energy is shown in Figures 6 and 9 and should be enabled when the storage configuration is active.
  • the cyclist acts on the control lever to release the tension of the chain 72.
  • the return spring 74 pushes the control pin 73 and thus the dog 5 towards the freewheel body 8, the notches 55 of the end 52 of the dog 5 then disengage from the crenellated ring 64 of the shaft 6 thus releasing in rotation about the axis X, the clutch 5 which was locked to the shaft 6, the clutch is thus first released from any rotational coupling in an intermediate phase of neutral, releasing at the same time the satellite gate 2 in rotation which is a state according to Figures 7 and 9. This intermediate dead center position will be developed more far.
  • the return spring will continue to move the control pin 73 and therefore the dog 5 to the freewheel body 8, the notches 55 of the end 51 will engage in the crenelated ring 85 integral with the freewheel body 8, which secures the dog 5 in rotation, about the axis X, with the input gear 81.
  • the planet carrier 2 and the input pinion 81 rotate as a block around the tree 6.
  • a screw 65 is mounted in the shaft 6 and forms a stop of the pin 73 in the restitution configuration.
  • the screw 65 makes it possible to adjust the end position of the pin 73 so that the force of the return spring 74 is not taken up by the rotating groove of the dog, which will dissipate energy and cause the premature wear of the control pin 73 and dog clutch 5.
  • C input represents the engine torque supplied by the cyclist via the drive pinion 81
  • C mue represents the motor torque provided by the outer ring 33 to the wheel 3 and which also represents the engine torque which is converted into a tangential motor force at the contact of the tire on the ground (not shown).
  • C flywheel represents the torque transferred by the flywheel 1 to the sun gear 11 to which it is linked
  • the torque C VO iant is generated by the deceleration of the steering wheel, it is determined by the relation:
  • J represents the rotational inertia of the flywheel about 70 g. m 2 in our example described
  • FIG. 16 represents the powers developed as a function of time by the cyclist, the kinetic flywheel (1) and the driving wheel (3).
  • the steering wheel will therefore add a very high transient power that will help the cyclist to accelerate suddenly. It may be noted that in our example described in Figure 16, the friction being neglected, the work of the steering wheel is conservative so that the area between the curve and the abscissa axis in the storage period is equivalent to the area in the restitution phase.
  • the flywheel which initially rotated in the opposite direction of the wheel 3 will decelerate until reaching zero speed, it will then start in the opposite direction is in the same direction as the wheel by storing a little energy, but the 3 pawls 84 of the freewheel will quickly block its acceleration to bind in rotation with the wheel 3 because the wheel free imposes the speed inequality:
  • the neutral configuration is represented in FIGS. 7 and 10.
  • the cyclist wishes to activate the neutral configuration, he actuates the control member 7 which moves the clutch 5 to an intermediate position in which it is not coupled with the castellated ring 85 of the freewheel 8, or with the crenellated ring 65 of the shaft 6.
  • the neutral configuration allows the rider not to feel the effects of the flywheel by not slowing the cyclist in its acceleration and allowing to conserve the kinetic energy stored in the steering wheel while slowing down to a complete stop. It is also a security.
  • the operating mode described above is particularly suitable for achieving speed records or for providing a very high transient power.
  • the system 106 for storing and restoring the energy may for example be used for a city bike and in particular for a bicycle that benefits from electric assistance.
  • the second embodiment as shown in FIG. 18, there is no intermediate shaft.
  • the single pinion motor 81 of the first mode is replaced by a cassette a plurality of rear gears 103 whose number depends on the number of gear ratios (speeds) of the transmission chain of the bicycle.
  • the second mode of operation also admits three operating configurations:
  • FIG. 13 a configuration of restitution of the stored energy, represented in FIG. 13.
  • the cyclist activates the storage configuration ( Figure 12) when it is launched, for example at 30 km / h, and wishes to brake.
  • braking means 9 in particular a clutch or a brake, gradually slow down the speed of rotation ⁇ 2 / ⁇ of the planet carrier 2.
  • the braking of the planet carrier 2 will then cause the steering wheel to rotate. inertia 1 which will store the kinetic energy.
  • these braking means are retarders and in principle do not allow to decelerate until the complete stop, they must be mounted in addition to a main braking system ensuring the safety of the cyclist in all circumstances, these
  • the storage-activated braking means 9 can be easily integrated into the cycle by a back pedaling system which can be controlled at any time and independently of the conventional brakes of the cycle.
  • the cyclist activates the energy feedback configuration (Fig.13) when he wants to restart, while the storage configuration is active. In this configuration, the planet carrier 2 is again free to rotate.
  • the clutch 5 connects the motor pinion 81 to the planet carrier 2.
  • the flywheel 1 forms one of the two inputs of the planetary gear train, that is to say that its rotational speed conditions the rotational speed of the output of the epicyclic gear train, formed by the rim 3.
  • the invention is not limited to the architecture of the epicyclic gear given as an example.
  • the satellites may be of the double-tooth type.
  • the sun gear 11 may be in the form of a ring gear with internal teeth.
  • the ring 33 may be in the form of a pinion with external teeth.
  • the rim 3 that is to say the output of the epicyclic train receiving the engine torque, corresponds to the ring gear of the epicyclic gear but alternatively, it can be formed by the planet carrier or the sun gear of the planetary gear train.
  • the flywheel 1 that is to say a first input of the epicyclic gear conditioning the speed of the output, corresponds to the sun gear of the planetary gear train but alternatively, the flywheel 1 can be formed by the crown outside of the epicyclic gear train or by the carrier.
  • a freewheel can be incorporated between the flywheel 1 and the shaft 6 of the wheel 100 so that the flywheel 1 automatically comes to lock when its energy is completely restored.
  • This embodiment requires the use of an additional freewheel.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Retarders (AREA)
  • Arrangement Or Mounting Of Propulsion Units For Vehicles (AREA)

Abstract

Système de stockage et restitution d'énergie caractérisé en ce qu'il comprend : - un arbre (6); - une jante (3) de roue ou un élément lié cinématiquement à la jante; - une chaîne de transmission de couple depuis un élément moteur (pédale/moteur électrique) jusqu'à ladite jante (3) de façon à mettre la jante ou l'élément qui lui est lié cinématiquement en rotation par rapport audit arbre (6); - un train épicycloïdal comportant une première, une deuxième et une troisième pièce d'entrée/sortie; - un mécanisme d'accouplement sélectif (5, 7) de ladite deuxième pièce d'entrée/sortie; et dans lequel, la première pièce d'entrée/sortie est constituée par ladite jante (3) ou par ledit élément lié cinématiquement à la jante, et la troisième pièce d'entrée/sortie est un volant d'inertie (1) mobile en rotation par rapport à l'arbre (6) capable de stocker une énergie cinétique puis de la transmettre à la jante (3) ou audit élément qui lui est cinématiquement lié. Le train épicycloïdal admet : - une configuration de stockage d'énergie, dans laquelle la deuxième pièce d'entrée/sortie est bloquée par rapport à l'arbre (6); et - une configuration de restitution d'énergie dans laquelle la deuxième pièce d'entrée/sortie est bloquée par rapport à la chaîne de transmission de couple.

Description

SYSTEME DE STOCKAGE ET RESTITUTION D'ENERGIE POUR CYCLE
ET CYCLE EQUIPE D'UN TEL SYSTEME
La présente invention concerne un système de stockage et restitution d'énergie pour un véhicule. Notamment, l'invention concerne un système de stockage et de restitution d'énergie pour cycle, ainsi qu'un cycle équipé d'un tel système. Dans le cas d'un cycle, un tel système s'avère utile notamment lorsque le cycliste a besoin d'une puissance motrice qu'il parvient difficilement à fournir uniquement par pédalage classique, par exemple pour se relancer ou gravir une côte plus aisément.
Certains cycles connus intègrent un système de stockage d'énergie qui assiste le cycliste en cas de besoin. Par exemple, certains cycles sont équipés d'une batterie électrique alimentant un moteur électrique qui aide le cycliste au pédalage. Dans certains cas, la batterie se recharge grâce au mouvement de pédalage du cycliste. Les batteries électriques sont coûteuses et s'usent progressivement au cours des cycles de charge et de décharge. De plus, ce système engendre des pertes lors du stockage de l'énergie électrique dans la batterie, ainsi que des pertes liées à la résistance interne de la batterie, lors de la restitution de l'énergie électrique. La conversion d'énergie électrique en énergie mécanique génère des pertes de rendement. De plus, le rendement du moteur électrique dégrade les performances de ce système.
Les véhicules hybrides intègrent en général une batterie électrique, un moteur électrique, ainsi qu'un système complexe de gestion de la batterie et du moteur. Ce système comporte un grand nombre de pièce, ce qui ne convient pas pour les cycles qui ont une dimension réduite et dont la masse ne doit pas être trop grande.
Certains véhicules sont équipés d'un volant d'inertie permettant de stocker et de restituer de l'énergie cinétique et de la restituer en temps voulu. Toutefois, il est souvent nécessaire d'associer le volant d'inertie à un variateur de vitesse complexe car le rapport de transmission entre la transmission du véhicule et le volant d'inertie doit varier dans des rapports très élevés avec des puissances transitoires extrêmement élevées. Un tel variateur de vitesse ne convient pas à un cycle à cause de ses dimensions et de sa masse.
Le document US 4712806 décrit une bicyclette dont la roue arrière est équipée d'un volant d'inertie, qui a pour but de maintenir l'équilibre du cycliste par effet gyroscopique et d'aider le démarrage par restitution de l'énergie stockée dans le volant d'inertie. Dans cette construction, le couple moteur généré par le cycliste est toujours transmis à la roue et seulement à celle-ci. C'est pourquoi, l'énergie stockée par le volant d'inertie est constituée par l'énergie cinétique récupérée lors du freinage. D'autre part, la restitution de l'énergie qui a lieu lorsque l'utilisateur relâche les freins a lieu de manière très brutale car il n'y a pas de mécanisme d'embrayage. Le document DE 707114 décrit également un cycle équipé d'un dispositif de stockage d'énergie dans lequel le couple moteur généré par le cycliste est toujours intégralement transmis à la roue. Le dispositif prévoit un mécanisme d'embrayage par glissement, lequel absorbe une grande partie de l'énergie stockée dans le volant au cours de la phase de restitution.
L'objectif de l'invention est de fournir un système de stockage et de restitution d'inertie qui ne souffre pas des inconvénients des systèmes de l'art antérieur. Ainsi, l'invention vise à proposer un système de stockage et restitution d'énergie pour cycle ayant un encombrement et une masse faible, de conception simple et peu coûteuse, ayant un bon rendement et une usure faible au cours du temps.
A cet effet, l'invention a pour objet un système de stockage et de restitution d'énergie caractérisé en ce qu'il comprend :
un arbre
une jante de roue ou un élément lié cinématiquement à la jante,
une chaîne de transmission de couple depuis un élément moteur (pédale/moteur électrique) jusqu'à ladite jante de façon à mettre la jante ou l'élément qui lui est lié cinématiquement en rotation par rapport audit arbre;
un train épicycloïdal comportant une première, une deuxième et une troisième pièce d'entrée/sortie et un mécanisme d'accouplement sélectif de ladite deuxième pièce d'entrée/sortie;
dans lequel, la première pièce d'entrée/sortie est constituée par ladite jante ou par ledit élément lié cinématiquement à la jante, et la troisième pièce d'entrée/sortie est un volant d'inertie mobile en rotation par rapport à l'arbre capable de stocker une énergie cinétique puis de la transmettre à la jante ou audit élément qui lui est cinématiquement lié; et pour lequel, dans la configuration de restitution d'énergie, la deuxième pièce d'entrée/sortie se trouve liée à la chaîne de transmission de couple.
Grâce à l'invention, lorsque le cycliste le souhaitera, il pourra alternativement stocker de l'énergie puis se la faire restituer. Pour ce faire, il lui suffira d'actionner le mécanisme d'accouplement sélectif. Etant donné que le volant d'inertie est directement connecté à une des pièces d'entrée/sortie du train épicycloïdal et que la jante de la roue, elle-même, est connectée à une autre pièce d'entrée/sortie du train, on bénéficie d'un système où le volant d'inertie peut directement restituer de l'énergie à la jante, sans autre intermédiaire. Ce système présente un poids relativement faible en comparaison avec d'autres systèmes de récupération d'énergie, ce qui le rend particulièrement adapté aux cycles, notamment aux cycles mûs par la force humaine.. Ce système présente également un coût faible car il intègre peu de pièces. Le volant peut être réalisé dans un matériau peu coûteux comme l'acier. La densité d'énergie de ce système est élevée, c'est-à-dire qu'il est capable de stocker une quantité d'énergie importante par rapport à sa masse. Contrairement aux systèmes incluant une batterie électrique, ce système ne présente pas d'usure liée aux cycles de charge et de décharge. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, un tel système de stockage et restitution d'énergie peut intégrer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises dans toute combinaison techniquement admissible :
Le train épicycloïdal admet : - une configuration de stockage d'énergie, dans laquelle la deuxième pièce d'entrée/sortie est bloquée par rapport à l'arbre; et - une configuration de restitution d'énergie dans laquelle la deuxième pièce d'entrée/sortie est bloquée par rapport à la chaîne de transmission de couple.
Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le train épicycloïdal comprend une couronne à denture interne solidaire de la jante, un porte- satellite et un pignon solaire solidaire du volant d'inertie.
Le mécanisme d'accouplement comprend un crabot mobile qui, dans la configuration de stockage d'énergie, immobilise le porte satellite et, dans la configuration de restitution de l'énergie stockée, connecte le porte-satellite à la chaîne de transmission.
Le train épicycloïdal admet une configuration neutre, dans laquelle le pédalage du cycliste n'entraine pas de stockage d'énergie cinétique dans le volant d'inertie et dans laquelle le cycliste ne récupère pas d'énergie cinétique stockée par le volant d'inertie. Le mécanisme d'accouplement comprend un crabot qui, dans la configuration neutre, libère la rotation du porte satellite (bloque la rotation) du volant d'inertie.
Un mécanisme de roue-libre reliant le volant d'inertie au moyeu de la roue et bloquant automatiquement la rotation du volant d'inertie lorsque son énergie cinétique est totalement restituée.
L'invention concerne également une roue motrice pour un cycle, équipée d'un système de stockage et restitution d'énergie cinétique tel que décrit ci-dessus ainsi qu'un cycle équipé d'une telle roue.
L'invention sera mieux comprise et d'autres aspects avantageux de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un cycle équipé d'un système de stockage et restitution d'énergie conforme à l'invention, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- La figure 1 est une vue en perspective éclatée d'une roue de cycle incluant un système de stockage et restitution d'énergie conforme à l'invention ;
- La figure 2 est une vue en perspective avec arrachement de la roue de la figure 1 ;
- La figure 3 est une coupe transversale de la roue ;
- La figure 4 est une vue à plus grande échelle du détail IV à la figure 3 ;
- Les figures 5, 6 et 7 sont des vues partielles en perspective de la roue, respectivement dans une configuration de stockage d'énergie, dans une configuration de restitution d'énergie et dans une configuration neutre ; - Les figures 8, 9 et 10 sont des schémas simplifiés de la roue, respectivement dans la configuration de stockage d'énergie, dans la configuration de restitution de l'énergie stockée et dans une configuration neutre ; et
- Les figures 1 , 12 et 13 sont des schémas simplifiés de la roue, respectivement dans la configuration de stockage d'énergie, dans la configuration de restitution de l'énergie stockée et dans une configuration neutre.
- La figure 14 est un graphe de simulation, représentant la vitesse en fonction de la distance parcourue pour un vélo de record caréné roulant sur le plat, avec une transmission standard (courbe en pointillée) , et avec une roue cinétique selon l'invention en trait fort.
- La figure 15, représente la simulation des vitesses de rotation par rapport au vélo, des différents éléments composant l'invention, vitesse du volant cinétique en radian par seconde, vitesse du porte satellite en radian par seconde, vitesse de la jante de la roue motrice du vélo en radian par seconde ainsi que la vitesse de pédalage du cycliste exprimée en tour par minute, et leur évolution respective en fonction du temps exprimé en secondes.
- La figure 16, représente un bilan des puissances en fonction du temps exprimé en secondes, sur la simulation de record de la figure 14 avec la roue cinétique selon l'invention.
- La figure 17 montre un vélo équipé d'un système de stockage et récupération de l'énergie selon un premier mode de réalisation de l'invention.
- La figure 18 montre un vélo équipé d'un système de stockage et récupération de l'énergie selon un second mode de réalisation de l'invention.
- La figure 19 montre un vélo équipé d'un système de stockage et récupération de l'énergie selon un autre mode de réalisation de l'invention.
Les figures 1 à 3 montrent une roue arrière 100 de cycle, mobile en rotation autour d'un moyeu creux ou arbre 6 s'étendant le long d'un axe de rotation X de la roue 100. Les extrémités 62 et 63 de l'arbre 6 sont filetées et coopèrent chacune avec deux écrous 76a ou 76b prévus pour fixer l'arbre 6 au cadre du cycle, non représenté.
La roue 100 comprend une jante 3 ainsi qu'un pneumatique, non représenté, monté sur la jante 3. La jante 3 comprend un corps 31 recevant le pneumatique, ainsi qu'un capot 32 assemblé au corps de jante 31 au moyen de vis A. Lorsqu'ils sont assemblés, le corps de jante 31 et le capot 32 délimitent un volume ayant globalement la géométrie d'un disque. Le corps de jante 31 comprend un moyeu 35 centré sur l'axe X, monté libre en rotation par rapport à l'arbre 6, autour de l'axe X, par l'intermédiaire de paliers de support 93 et 94 de type roulement à billes. Le capot 32 est également monté libre en rotation par rapport à l'arbre 6, autour de l'axe X, par l'intermédiaire d'un palier de support 98 de type roulement à billes. Comme on peut le voir à la figure 17, lorsque le cycliste pédale, le pédalier entraine par son plateau 101 une chaîne primaire 102 qui entraine une série de dix pignons 103 dont le nombre de dents varie entre 44 et 11 (44,38,32,28,24,20,17,15,13,11) sélectionnés successivement par un dérailleur, ces pignons sont liés à un arbre intermédiaire 104 qui entraine un plateau secondaire, une chaine secondaire à pas fin 105 , qui engrène ce dernier plateau secondaire avec un pignon moteur 81 disposé entre deux flasques 82 de guidage de la chaîne, solidaires d'un corps de roue-libre 8 centrant le corps de jante 31 par le palier support 93, le corps de roue libre 8 étant lui même monté libre en rotation autour de l'arbre 6 par l'intermédiaire de paliers de support 91 et 92 de type roulements à billes.
Le corps de roue-libre 8 est creux et il est pourvu d'une denture interne 83. Trois cliquets 84 séparés angulairement entre eux de 120°, autour de l'axe X sont poussés radialement par 3 petits ressorts non représentés, ainsi les 3 cliquets 84 interagissent avec la denture interne 83 du corps de roue-libre 8 de manière unidirectionnelle, pour solidariser sélectivement le corps de roue-libre 8 au moyeu 35 lorsque le corps de roue-libre 8 est menant par rapport au moyeu 35 car le cycliste exerce un effort d'entraînement en rotation du corps de roue-libre 8, au moyen de la chaîne. Les cliquets 84 permettent une rotation unidirectionnelle du moyeu 35 par rapport au corps de roue-libre 8 et ne s'opposent pas à la rotation de la roue 100 lorsque le cyclise arrête de pédaler ou plus généralement, lorsque la roue 3 tourne plus vite que le corps de roue libre 8.
Un disque de frein 34 est fixé au capot 32 de la jante 3 par des vis C. Le cycle est équipé d'une mâchoire de frein non représentée, recevant le disque de frein 34.
Un système de type « train épicycloïdal » est logé à l'intérieur du volume délimité par la jante 2. Ce train épicycloïdal évolue autour de l'arbre 6, qui est fixe par rapport au cadre du cycle, et se compose premièrement d'une couronne extérieure 33 qui comporte une denture intérieure 38 et qui est fixée au corps de jante 31 au moyen de vis B.
Le train épicycloïdal comprend également un porte-satellite 2 comprenant deux bras 23a et 23b alignés l'un avec l'autre et fixés de part et d'autre d'un corps annulaire 21 monté libre en rotation sur l'arbre 6, autour de l'axe X, par l'intermédiaire d'un palier de support 95 de type roulement à billes. Deux satellites 4a et 4b comportant chacun une denture extérieure 41 sont montés libres en rotation, autour d'un axe X4a ou X4b, par rapport aux extrémités des bras 23a et 23b opposées au corps annulaire 21 , par l'intermédiaire de paliers de support 95a et 95b. La denture extérieure 41 de chaque satellite 4a et 4b engrène avec la denture intérieure 38 de la couronne extérieure 33.
Le train épicycloïdal comprend également un volant 1 monté libre en rotation par rapport à l'arbre 6, autour de l'axe X, par l'intermédiaire de paliers de support 96 et 97. Le volant 1 comporte un pignon central 11 pourvu d'une denture extérieure 13 qui engrène avec les dentures extérieures 41 des satellites 4a et 4b. Le volant 1 correspond au « pignon solaire » d'un train épicycloïdal classique. Le volant 1 comporte une partie massive périphérique 12 qui confère au volant 1 une masse d'environ 3,4 kg et une inertie de rotation d'environ 70 g. m2. Comme expliqué plus en détail dans la suite, le volant 1 ou « volant d'inertie » est utilisé pour stocker une partie de l'énergie mécanique de pédalage du cycliste. En cas de besoin de puissance, le cycliste peut récupérer cette énergie cinétique stockée, notamment pour se relancer ou gravir une côte plus aisément.
La couronne 33, et par conséquent la jante 3 qui lui est solidaire, le volant 1 et le porte satellite 2 constituent par conséquent les trois pièces d'entrée/sortie du train épicycloïdal. Nous verrons plus loin qu'alternativement en fonction des configurations de fonctionnement, ces trois pièces seront soit des entrées - ils seront alors menant - ou des sorties - ils seront alors menés.
Le train épicycloïdal admet trois configurations de fonctionnement :
- une configuration de stockage, représentée aux figures 5 et 8, dans laquelle une partie de l'énergie mécanique de pédalage du cycliste est stockée dans le volant d'inertie sous forme d'énergie cinétique de rotation, cette phase est représentée sur la figure 14 entre la distance nulle et la distance de 6000 mètres. Cette phase est représentée dans les figures 15 et 16 entre le temps initial t= 0 s et t=317 s
- une configuration de restitution, représentée aux figures 6 et 9, dans laquelle l'énergie cinétique stockée est restituée sous la forme d'un couple moteur permettant l'entraînement en rotation de la roue 100, cette configuration est représentée sur la figure 14 pour les distances supérieures à 6000 m, cette configuration est représentée aux figures 15 et 16 pour un temps compris entre 317 s et 569 s
- une configuration neutre, représentée aux figures 7 et 10, dans laquelle le cycliste ne stocke pas et ne récupère pas d'énergie, cette configuration n'est pas représentée aux figures 14,15 et 16, mais existe nécessairement dans la phase de transition à 6000m ou 317 s.
Comme expliqué plus en détail par la suite, le changement de configuration est réalisé par le cycliste, au moyen d'un organe d'actionnement 7 agissant sur un crabot 5 monté sur l'arbre 6, entre le corps de roue-libre 8 et le pignon denté 11 du volant d'inertie 1. En fonction de l'ordre de commande donné, le porte satellite 2, qui est lié en rotation avec le crabot 5, soit n'interagit pas avec le train épicycloïdal soit se bloque en rotation avec l'arbre 6 soit se solidarise en rotation avec le pignon moteur 81
Le crabot 5 se présente sous la forme d'une bague dans laquelle est réalisée une rainure circonférentielle intérieure 54. L'arbre 6 comporte un trou oblong 61 dont la longueur est orientée parallèlement à l'axe X. Une goupille 73 de section carrée est disposée dans le trou oblong 61 de l'arbre 6. La longueur du trou oblong 61 est supérieure à la longueur des côtés de la goupille 73. Ainsi, la goupille 73 est mobile en translation dans le trou oblong 61. Les extrémités de la goupille 73 sont logées dans la rainure circulaire 54 du crabot 5, ainsi le crabot 5 peut pivoter librement autour de l'axe X mais le crabot se retrouve lié en translation à la goupille 73.
L'organe d'actionnement 7 comprend une tige 71 qui est fixée à la goupille 73 et s'étend à l'intérieur de l'arbre 6. A l'opposé de la goupille 73, la tige 71 est prolongée par une chaînette 72 qui dépasse à l'extérieur de l'arbre 6, du côté opposé au corps de roue-libre 8. La chaînette 72 est reliée à un câble de commande, non représenté, actionné par le cycliste au moyen d'une manette fixée au guidon du cycle.
Le crabot 5 peut ainsi se déplacer en translation entre le corps de roue-libre 8 et le pignon denté 11 du volant 1. Un ressort de rappel 74 est logé dans l'arbre 6, autour de la tige 71 de l'organe d'accouplement 7, et repousse par défaut la goupille 73 vers le corps de roue- libre 8.
Comme visible aux figures 5 et 6, chaque extrémité axiale 51 et 52 du crabot 5 présente des encoches qui forment des créneaux 55. Les créneaux 55 de la première extrémité axiale 51 , qui est située du côté du corps de roue-libre 8, sont adaptés pour venir en prise avec une bague crénelée 85 fixée au niveau du corps de roue-libre 8, de manière à solidariser en rotation le crabot 5 avec le pignon moteur 81 autour de l'axe X.
Les créneaux 55 de la deuxième extrémité axiale 52 du crabot 5, qui est située du côté du volant 1 , sont adaptés pour venir en prise avec une bague crénelée 64 fixée à l'arbre 6, de manière à solidariser en rotation le crabot 5 à l'arbre 6, autour de l'axe X.
La surface périphérique extérieure du crabot 5 présente des rainures longitudinales formant des cannelures 53. De manière complémentaire, le corps annulaire 21 du porte- satellite 2 comporte des cannelures internes 22 qui sont adaptées pour coopérer avec les rainures 53 du crabot 5, de manière à solidariser en rotation, autour de l'axe X, le crabot 5 avec le porte-satellite 2. Ainsi, le crabot 5 est lié en rotation au porte satellite 2 autour de l'axe X, et lié en translation à la goupille de commande 73 le long de l'axe X.
Ainsi, en fonction de la configuration activée par le cycliste, le porte satellite 2 qui est lié en rotation avec le crabot 5 peut, soit se lier en rotation avec l'arbre 6 en se bloquant en rotation, soit se lier en rotation avec le pignon moteur 81 , soit rester totalement libre en rotation dans la position neutre.
De manière connue en appliquant par exemple la formule dite de Willis, la cinématique du train épicycloïdal est régie par la relation (1) suivante :
(D3/0 = -Z1/Z3. CO1/0 + (l+Zl/Z3).C02/o,
avec :
- CÛ j/o . vitesse de rotation du volant 1 par rapport à l'arbre 6 et donc au cadre du cycle,
- Û2/0 : vitesse de rotation du porte-satellite 2 par rapport à l'arbre 6 et donc au cadre du cycle - CO3/0 : vitesse de rotation de la jante 3 par rapport à l'arbre 6 et donc au cadre du cycle
- ZI : nombre de dents du pignon denté 1 1 du volant 1 ,
- Z3 : nombre de dents de la couronne extérieure 33 de la jante 3.
Dans l'exemple représenté sur les figures, ZI = 24 dents et Z3 = 288 dents. Le rapport Z1/Z3 est donc égal à 12.
Le train épicycloïdal comporte trois pièces mécanique d'entrée et sortie : la couronne 33, appelée parfois planétaire extérieur, le porte-satellite 2 et le pignon solaire 1 1 appelé parfois planétaire intérieur. Ces trois pièces 1 , 2, 3 ont des vitesses de rotation différentes qui sont données par une seule relation mathématique, à savoir la relation (1 ). Ainsi, il est nécessaire de fixer la vitesse de rotation de deux pièces, pour connaître la vitesse de rotation de la troisième pièce. En d'autres termes, le train épicycloïdal comporte deux entrées et une sortie ou une entrée et 2 sorties.
Dans l'exemple représenté sur la figure 8, la jante 3 constitue l'entrée car c'est cette pièce menante qui va transmettre un couple moteur au train épicycloïdal par la couronne 33, le porte-satellite 2 lui est bloqué à l'arbre 6 tandis que le volant 1 lui sera une sortie car il sera mené par le train épicycloïdal en recevant de la puissance.
Dans l'exemple représenté à la figure 9, le volant 1 sera cette fois une entrée car sa décélération fournira un couple moteur au train épicycloïdal, le porte satellite sera quand à lui moteur car le pignon moteur du cycliste fournira lui aussi un couple moteur au train épicycloïdal tandis que la roue 3 sera un récepteur en recevant un couple issu du volant et du cycliste qui fournira une puissance motrice à la roue.
La configuration de stockage d'énergie cinétique est représentée aux figures 5 et 8. Pour activer cette configuration, le cycliste, au moyen de la manette de commande, tire sur la chaînette 72 de manière à translater le crabot 5 vers la bague crénelée 65 liée à l'arbre 6 en éloignant le crabot 5 du corps de roue-libre 8, à encontre de la force exercée par le ressort de rappel 74. Par ce mouvement axial, les créneaux 55 de l'extrémité 52 du crabot 5 viennent en prise avec la bague crénelée 64 fixée à l'arbre 6, le porte satellite se trouve ainsi lié en rotation à l'arbre 6, autour de l'axe X. Or, l'arbre 6 est fixe par rapport au cadre du cycle, ce qui a pour conséquence d'immobiliser la rotation du porte-satellite 2 par rapport au cadre du cycle.
La manœuvre de la chaînette 72 pour atteindre la configuration de stockage doit être effectuée lorsque la roue 100 ne tourne pas, en particulier lorsque le porte-satellite 2 est immobile, afin de permettre l'accouplement du crabot 5.
Par la suite, lorsque le cycliste commence à pédaler, il entraine le pignon moteur 81 du corps de roue-libre 8 et les cliquets 84 implantés dans le moyeu 35 de la jante 3, se bloquent dans la denture 83 du corps de roue-libre 8 de manière à entraîner la jante 3 en rotation. Les satellites 4a et 4b sont entraînés en rotation autour de leurs axes X4a et X4b par engrènement avec la couronne extérieure 33 qui est fixée à la jante 3. Les satellites 4a et 4b entraînent alors le volant 1 en rotation, par engrènement avec le pignon denté 11, tandis que le porte-satellite reste immobile par rapport à l'arbre 6.
Dans cette configuration de stockage d'énergie, on a ©2/0 ~ 0 puisque le porte- satellite 2 est fixe par rapport à l'arbre 6 La relation (1) donne donc :
©3/0 = - Z1/Z3. ©i/o = - 1/12. ©i/o
Le volant 1 va donc tourner dans un sens opposé à celui de la jante 3, et à une vitesse 12 fois supérieure.
Si le cycle comporte plusieurs rapports de transmission, il est préférable d'utiliser un petit rapport de transmission pour initier la mise en rotation du volant 1 qui nécessite un couple relativement important compte tenu de sa masse. Au fur et à mesure que le cycliste va prendre de la vitesse, il est souhaitable qu'il change de rapport de transmission pour adapter sa cadence de pédalage à une fréquence lui permettant de transmettre au volant 1 un maximum d'énergie.
De manière connue en soi, on peut calculer la masse apparente ma = 177 Kg du volant 1 , c'est-à-dire la masse d'un objet virtuel qui a une inertie de translation égale à l'inertie de rotation du volant 1. Le volant 1 qui tourne 12 fois plus vite que la jante 3 et qui pèse 3,4 Kg, emmagasine la même énergie qu'une masse de 177 kg en translation à la même vitesse que le cycle, soit presque deux fois plus que la masse totale du cycle et du cycliste. L'énergie cinétique totale dans cette première phase de fonctionnement est donc presque 3 fois supérieure à l'énergie cinétique du cycle seul.
La figure 14 représente la simulation de montée en vitesse en fonction de la distance parcourue, pour un vélo caréné de record ayant une très faible traînée aérodynamique, avec un cycliste fournissant une puissance supposée constante de 425 Watt sur toute la durée du record, la route étant considérée comme parfaitement plate.
La première simulation en trait pointillé, simule la montée en vitesse d'un cycle de record de l'art antérieur, on peut observer qu'au bout de 6000 mètres parcourus le vélo roule déjà à la vitesse de 111 Km/h et qu'au bout de 8000 mètres soit 2000 mètres plus loin il n'aura gagné que 4 Km/h supplémentaires, autrement dit au bout de 75 % de la distance parcourue la vitesse atteinte est déjà supérieure à 96% de la vitesse finale, cette montée en vitesse asymptotique est due au fait que la traînée aérodynamique augmente très rapidement avec le carré de la vitesse alors que la force motrice développée par le cycliste décroit inversement avec la vitesse lorsque la puissance est constante, ainsi le cycliste n'arrive plus à augmenter sa vitesse car la traînée aérodynamique et les frottements de roulements convergent très vite vers la force motrice du cycliste. La deuxième simulation, en trait fort, commence par une phase de stockage jusqu'à la distance de 6000 mètres, puis bascule dans la phase de restitution à partir de 6000 mètres pour arriver à une vitesse très élevée dans la zone de chronométrage des 200 derniers mètres entre 7800 et 8000 mètres. Dès le départ l'accélération est moins élevée que pour la simulation de l'art antérieur, car la masse apparente du volant cinétique de 177 Kg, vient s'ajouter à la masse totale et ainsi diminue l'accélération initiale du cycle, en revanche comme la vitesse est moins élevée il y a beaucoup moins de déperdition liée à la traînée aérodynamique, ainsi au bout de 6000 mètres parcourus le cycliste ne roule qu'a 97 Km/h au lieu de 111 Km/h et il aura mis 317 secondes au lieu de 254 secondes pour le cycle de l'art antérieur. Comme dans cette simulation la puissance est constante, l'énergie ou le travail mécanique est proportionnel à la durée, ainsi dans les 6000 premiers mètres le cycliste aura fourni un travail mécanique de 135 KiloJoule alors que dans la version de l'art antérieur il n'aura fourni que 108 KJ, de plus à la fin de cette zone de stockage le volant cinétique aura stocké 64,1 KJ soit presque la moitié (47,5 %) du travail total fourni par le cycliste depuis le départ.
En observant la figure 15 dans la phase de stockage, soit dans les 317 premières secondes, on peut constater que le volant cinétique 1 a une vitesse de rotation élevée et négative et va atteindre -1354 rad/s (= -12900 rpm), pendant que la vitesse de la roue 3 va suivre la vitesse linéaire du cycle, la vitesse du pédalier elle restera proche de la cadence de pédalage optimum du cycliste entre (100 et 120 rpm) grâce aux 10 changements de vitesses qu'aura effectué le cycliste, il aura en effet démarré sur un pignon mené de 44 dents pour finir sur un petit pignon de 11 dents, ces différents changements peuvent être observés en constatant que la fréquence de pédalage de la figure 15 à une allure de dent de scie, chaque pointe de dent correspond en effet à un changement de pignon effectué par le cycliste pour que sa cadence reste toujours optimum afin de développer au mieux son potentiel de puissance. On peut aussi observer sur cette figure 15 que la vitesse du porte satellite 2 est nulle sur toute la phase de stockage puisqu'il reste bloqué à l'axe 6.
La configuration de restitution de l'énergie stockée est représentée aux figures 6 et 9 et doit être activée lorsque la configuration de stockage est active. Pour activer la configuration de restitution, le cycliste agit sur la manette de commande pour relâcher la tension de la chaînette 72. Le ressort de rappel 74 repousse la goupille de commande 73 et donc le crabot 5 en direction du corps de roue-libre 8, les encoches 55 de l'extrémité 52 du crabot 5 se désengagent alors de la bague crénelée 64 de l'arbre 6 libérant ainsi en rotation, autour de l'axe X, le crabot 5 qui était bloqué à l'arbre 6, le crabot se retrouve donc d'abord libéré de tout accouplement en rotation dans une phase intermédiaire de point mort libérant du même coup le porte satellite 2 en rotation ce qui est un état conforme aux figures 7 et 9. Cette position de point mort intermédiaire sera développée plus loin. En poursuivant le relâchement de la manette de commande, le ressort de rappel va continuer à déplacer la goupille de commande 73 et donc le crabot 5 vers le corps de roue libre 8, les encoches 55 de l'extrémité 51 vont s'engager dans la bague crénelée 85 solidaire du corps de roue libre 8, ce qui solidarise le crabot 5 en rotation, autour de l'axe X, avec le pignon d'entrée 81. Ainsi, le porte-satellite 2 et le pignon d'entrée 81 tournent en bloc autour de l'arbre 6.
Une vis 65 est montée dans l'arbre 6 et forme une butée d'arrêt de la goupille 73 dans la configuration de restitution. La vis 65 permet de régler la position de fin de course de la goupille 73 afin que l'effort du ressort de rappel 74 ne soit pas repris par la rainure tournante du crabot ce qui dissiperai de l'énergie et provoquerait l'usure prématurée de la goupille de commande 73 et du crabot 5.
Dans la configuration de restitution, la roue libre entre le pignon moteur 81 et la jante 3 est déconnectée, si bien que le couple moteur exercé au niveau du pignon moteur 81 par le cycliste entraine en rotation le crabot 5 par la liaison entre les encoches 55 de l'extrémité 51 du crabot 5 qui coopèrent avec la bague crénelée 85 solidaire du corps de roue libre 8. Le porte satellite 2, qui était bloqué à l'arrêt, va ainsi être mis en rotation autour de l'axe X , ce qui va avoir pour effet d'accélérer la rotation de la couronne 33 tout en demandant un couple au volant d'inertie central par l'intermédiaire du pignon solaire 11 , cette demande de couple va alors commencer à ralentir le volant d'inertie 1 ce qui va ainsi restituer son énergie cinétique.
Dans la configuration de restitution, la relation (1) donne, avec les exemples chiffrés précédents la relation de vitesse suivante:
CO3/0 = -1/12. CO1/0 + 13/12.0)2/0
De plus, l'analyse de l'équilibre des efforts en isolant le train épicycloïdal (33, 1 1 ,2) amène à la relation de couple suivante :
C roue/33 + C pjgnon/2 + C volant/11 = 0
En ne considérant que les valeurs absolues on trouve
C roue - ¾/( Z3-Zj) .C entrée — 1 ,09.C entrée
C volant - Z3-Zi) .C entrée - 0,09.C entrée
C entrée représente le couple moteur fourni par le cycliste par l'intermédiaire du pignon moteur 81
C mue représente le couple moteur fourni par la couronne extérieure 33 à la roue 3 et qui représente aussi le couple moteur qui se transforme en effort tangent moteur au niveau du contact du pneumatique sur le sol (non représentés).
C volant représente le couple transféré par le volant d'inertie 1 au pignon solaire 11 auquel il est lié Le couple C VOiant est généré par la décélération du volant, il est déterminé par la relation :
C volant = J- dCOi/o/dt
J représente l'inertie de rotation du volant d'environ 70 g. m2 dans notre exemple décrit, dcû-i/o/dt représente la dérivée de la vitesse par rapport au temps soit la décélération du volant d'inertie exprimée en rad.s"2, cette décélération dû)i/o/dt est représentée à la figure 15 par la pente de la courbe G)i/o=f(t), on peut ainsi remarquer qu'au début de la phase de restitution cette pente est très élevée car le cycliste pourra générer un couple d'entrée très important puisqu'il sera sur le plus petit développement avec une vitesse d'entrée réduite, hors comme on l'a vu ci-dessus le C VOiant = 0,09 Centrée
Ces 2 dernières relations montrent bien que le couple de sortie à la roue est bien proportionnel au couple d'entrée donné par le pédalage du cycliste, de même que le couple demandé au volant est aussi proportionnel à l'effort du cycliste, ces relations très intéressantes démontrent bien que c'est le cycliste lui-même qui pilote automatiquement la décharge du volant, s'il se met en roue libre, le couple moteur devient nul et le couple demandé au volant aussi, s'il double son effort, tous les couples sont alors doublés.
Au début de la phase de restitution, comme le porte satellite 2 était initialement bloqué, et que le pignon moteur lui est maintenant connecté, le cycliste démarrera cette phase de restitution avec une cadence de pédalage nulle, comme si il partait de l'arrêt complet, il va donc pouvoir choisir un rapport de transmission très démultiplié en utilisant le plus gros pignon mené de sa transmission de 44 dents, lui permettant de générer un très gros couple au niveau du pignon d'entrée 81. Or d'après la relation ci-dessus
C roue ~ ¾/( Z3-Z1) .C entrée = 1,09.C entrée , si le couple d'entrée est élevé, le couple transmis à la roue va être élevé aussi de sorte que l'accélération du cycle va être presque équivalente à celle d'un départ arrêté un peu comme si le cycliste changeait de référentiel en s'appuyant sur le volant.
Lorsque le cycliste va transmettre un couple au porte-satellite 2 par le pignon moteur 81 , il va alors automatiquement demander du couple au volant d'inertie 1. Lorsque le cyclise pédale, il récupère automatiquement l'énergie du volant d'inertie 1. La vitesse de rotation ω-ι/ο du volant 1 va donc décroître et le volant 1 va ainsi céder son énergie cinétique au système. La puissance totale transmise à la roue 100 est alors la somme de la puissance fournie par le pédalage du cycliste et de la puissance fournie par la décélération du volant. En d'autres termes, l'effort de pédalage du cycliste est alors assisté par l'énergie restituée par le volant .
Comme le volant ralentit et que le porte satellite s'accélère le cycliste va devoir très rapidement changer successivement tous les dix rapports de sa transmission depuis le 44 dents jusqu'au 11 dents, ces multiples changements de rapports de transmission sont visibles sur la courbe N pédaiage = f(t) de la figure 15 par sa nouvelle allure en dents de scie à partir du temps 317 secondes, chaque pointe de dent correspondant à un changement de pignon pour adapter au mieux sa cadence de pédaiage à l'optimum (entre 100 et 120 rpm) afin d'exploiter au mieux son potentiel de puissance.
Dans notre exemple de cycle de record la vitesse, la vitesse va passer par un maximum avant que le volant ait cédé toute son énergie, en effet la seule puissance du cycliste n'est pas suffisante pour maintenir la vitesse maxi, il convient donc d'enclencher la restitution d'énergie au bon moment pour optimiser la vitesse maxi mesurée pour l'exemple entre 7800 et 8000 mètres, ainsi dans la simulation décrite sur la figure 14 le cycliste va pouvoir subitement passer de 97 Km/h à 136 Km/h en seulement 57 secondes tout en continuant à développer la même puissance de 425 Watts.
Cet effet inattendu sur le plan énergétique, peut aisément être expliqué en analysant la figure 16 qui représente les puissances développées en fonction du temps par le cycliste, par le volant cinétique (1) et par la roue motrice (3).
Durant toute la durée du record la puissance du cycliste a été considérée comme constante et égale à 425 Watts (sauf au départ, où elle croit rapidement depuis zéro car la vitesse initiale est nulle), c'est ce que l'on retrouve sur le graphe P cycliste = Cte = 425 Watts (droite horizontale).
Dans la première phase de stockage (entre t= 0 et 317 s) on peut remarquer que la puissance fournie par le volant (ligne traits interrompus) est négative, il prélève donc de la puissance et donc de l'énergie fournie par le cycliste, cette puissance de stockage décroit en valeur absolue car l'accélération du cycle et donc du volant va diminuer au fur et à mesure que les frottements aérodynamiques vont croître.
La puissance fournie par la roue motrice (pointillés sur la courbe) est toujours la somme de la puissance du cycliste sommée de la puissance fournie par le volant (en négligeant les frottements mécaniques internes), dans cette première phase la puissance fournie par le volant étant négative, la puissance fournie à la roue est donc la puissance fournie par le cycliste diminuée de la puissance prélevée par le volant. On peut remarquer que l'énergie fournie par le cycliste peut être représentée par l'aire située sous la courbe W =
A partir du début de la phase de restitution, la puissance développée par le volant devient positive est très élevée plus de 7000 Watts sur les premières secondes pour décroître au fur et à mesure en suivant la loi différentielle suivante :
P volant = -J- ωι/o.dcoi/o/dt
Le volant va donc ajouter une puissance transitoire très élevée qui va aider le cycliste à accélérer subitement. On peut remarquer que dans notre exemple décrit à la figure 16, les frottements étant négligés, le travail du volant est conservatif de sorte que l'aire située entre la courbe et l'axe des abscisses dans la période de stockage est équivalente à l'aire dans la phase de restitution.
Dans notre exemple de record de vitesse, nous avions vu que la vitesse maxi était atteinte avant que le volant ait cédé toute son énergie, si le cycliste continue son effort, la décélération du volant va se poursuivre jusqu'à ce que le volant ait cédé toute son énergie, l'idéal étant d'arrêter le volant lorsqu'il atteint une vitesse nulle (t=570 s sur le graphe de la figure 15), cette fonction est mécaniquement facile à intégrer en ajoutant un système de roue libre unidirectionnelle (non représentée) entre le volant 1 et l'arbre 6, de sorte que lorsque le volant ralentisse pour arriver à vitesse nulle, la roue libre l'immobilise pour ne pas qu'il reparte dans l'autre sens sous l'effet du couple volant. Dans ce mode de réalisation comportant une roue libre entre le volant 1 et l'arbre 6, la fin de la restitution se termine lorsque :
ω i/o =0
En remplaçant dans l'équation de vitesse on trouve
CÛ3/0 = (1+Ζ1/Ζ3).ω2/0 = l ,083. CÛ2/0= 1 ,083.0) pignon
Ainsi la roue tourne légèrement plus vite que si elle était entraînée directement par la roue libre comme dans la phase initiale de stockage d'énergie.
A partir de cet instant, le cycliste peut alors :
Soit continuer à pédaler normalement en laissant le levier de commande sur le mode restitution.
Soit mettre le levier de commande en position neutre, ce qui aura pour effet d'encliqueter les 3 cliquets 84 de la roue libre afin que la roue 3 soit entraînée directement par le pignon d'entrée 81 on aura alors
®3/0 = ω pignon
Soit mettre le levier de commande en position stockage, ce qui aura pour effet d'augmenter la masse apparente du cycliste et de démarrer un nouveau cycle de chargement d'énergie.
Le mode de réalisation dessiné sur les figures ne comporte pas cette roue libre additionnelle, ainsi en fin de phase de restitution d'énergie, le volant qui tournait initialement en sens opposé de la roue 3, va décélérer jusqu'à arriver à vitesse nulle, il va repartir alors en sens opposé soit dans le même sens que la roue en stockant un peu d'énergie, mais les 3 cliquets 84 de la roue libre vont très vite bloquer son accélération pour le lier en rotation avec la roue 3 car la roue libre impose l'inéquation de vitesse:
ω i/o < co 3/o En remplaçant dans l'équation liant les vitesses, la seule solution finale devient alors :
ω i o = ω 3/o = ω 2/o
Autrement dit, par le blocage automatique de la roue libre, tous les éléments du train épicycloïdal vont se mettre à tourner au final dans le même sens et à la même vitesse. Même si ce mode de réalisation est en théorie moins optimum que celui comportant une roue libre entre le volant 1 et l'arbre 6, il a l'intérêt de simplifier le mécanisme en utilisant la même roue libre pour 2 fonctions différentes.
Ce mode de fonctionnement est bien celui décrit sur la figure 15, on l'on voit que la vitesse de rotation du volant ω i o qui était négative va passer par zéro (t=570 s) puis devenir positive pour devenir égale à la vitesse de la roue 3 (t=616 s) et à la vitesse du pignon d'entrée 81.
La configuration neutre est représentée aux figures 7 et 10. Lorsque le cycliste souhaite activer la configuration neutre, il actionne l'organe de commande 7 qui déplace le crabot 5 dans une position intermédiaire dans laquelle il n'est pas accouplé avec la bague crénelée 85 de la roue libre 8, ni avec la bague crénelée 65 de l'arbre 6.
La stabilité de cette position est améliorée grâce à des ressorts 25 disposés dans des trous du corps annulaire 21 du porte-satellite 2. Ces ressorts 25 repoussent des billes 24 dans des évidements réalisés dans la surface extérieure du crabot 5.
Dans la position neutre, la roue libre entre le pignon moteur 81 et la jante 3 est à nouveau connectée et le pédalage du cycliste entraine la rotation de la jante mais n'entraine pas la mise en rotation du volant 1 qui a tendance à conserver son mouvement. Si le volant 1 tourne lorsque la configuration neutre est activée, alors il conserve son mouvement de rotation, et décélère très légèrement à cause des frottements. Si le volant 1 est immobile lorsque la configuration neutre est activée, il a tendance à rester immobile par inertie. L'effort de pédalage entraine donc uniquement la mise en rotation de la jante 3.
La configuration neutre permet au cycliste de ne pas ressentir les effets du volant d'inertie en ne ralentissant pas le cycliste dans son accélération et en permettant de conserver l'énergie cinétique stockée dans le volant tout en ralentissant jusqu'à l'arrêt complet. Cela constitue aussi une sécurité.
Le mode de fonctionnement décrit ci-dessus est notamment adapté pour réaliser des records de vitesse ou pour fournir une puissance transitoire très élevée.
La suite de la description concerne un deuxième mode de fonctionnement permettant de récupérer l'énergie dissipée par le freinage. Dans ce deuxième mode de réalisation, le système 106 de stockage et restitution de l'énergie pourra par exemple être utilisé pour un vélo de ville et notamment pour un vélo qui bénéficie d'une assistance électrique. Dans le deuxième mode de réalisation, comme cela est montré à la figure 18, il n'y a pas d'arbre intermédiaire. L'unique pignon moteur 81 du premier mode est remplacé par une cassette d'une pluralité de pignons arrière 103 dont le nombre dépend du mombre de rapports de démultiplication (vitesses) de la chaîne de transmission du vélo.
Le deuxième mode de fonctionnement admet également trois configurations de fonctionnement :
- une configuration neutre, représentée schématiquement à la figure 1 ,
- une configuration de stockage d'énergie, représentée schématiquement à la figure 12,
- une configuration de restitution de l'énergie stockée, représentée à la figure 13.
Dans la configuration neutre du deuxième mode de fonctionnement, le volant d'inertie n'est pas entraîné. Du fait de son inertie, et bien qu'il soit libre en rotation, il ne tourne pas par rapport à l'arbre 6. La relation (1) donne donc :
CÛ3/0 = (l+Zl/Z3).G>2/o.
Dans la configuration neutre (fig. 11), le volant d'inertie 1 ne tourne pas et le porte- satellite 2 tourne dans le même sens que la jante 3, à une vitesse légèrement inférieure. Ainsi, l'énergie de pédalage fournie par le cycliste est utilisée uniquement pour la rotation de la roue 100, sans stockage d'énergie.
Le cycliste active la configuration de stockage (fig. 12) lorsqu'il est lancé, par exemple à 30 km/h, et souhaiter freiner. Dans la configuration de stockage, des moyens de freinage 9, notamment un embrayage ou un frein, ralentissent progressivement la vitesse de rotation ω2/ο du porte-satellite 2. Le freinage du porte-satellite 2 va alors provoquer la rotation de volant d'inertie 1 qui va donc stocker de l'énergie cinétique.
On peut remarquer que ces moyens de freinage sont des ralentisseurs et ne permettent en principe pas de déccélérer jusqu'à l'arrêt complet, ils doivent être montés en plus d'un système de freinage principal assurant la sécurité du cycliste en toutes circonstances, ces moyens de freinage 9 activant le stockage, peuvent être facilement intégrés au cycle par un système de rétropédalage qui peut être commandé à tout moment et indépendament des freins classiques du cycle.
Le cycliste active la configuration de restitution de l'énergie (fig. 13) lorsqu'il souhaite se relancer, alors que la configuration de stockage est active. Dans cette configuration, le porte-satellite 2 est à nouveau libre de tourner. Le crabot 5 connecte le pignon moteur 81 au porte-satellite 2.
Lorsque le cycliste commence à pédaler, le porte-satellite 2 est à l'arrêt et le volant 1 libère alors son énergie par un apport de puissance aidant le cycliste à relancer le cycle. L'aide se terminera lorsque le volant 1 a complètement décéléré. Le cycliste peut alors réactiver la position neutre pour ne pas pénaliser l'accélération du cycle. Selon l'invention, le volant d'inertie 1 forme une des deux entrées du train épicycloïdal, c'est-à-dire que sa vitesse de rotation conditionne la vitesse de rotation de la sortie du train épicycloïdal, formée par la jante 3.
L'invention ne se limite pas à l'architecture du train épicycloïdal donné en exemple. Par exemple, les satellites peuvent être de type à double-denture. Le pignon solaire 11 peut se présenter sous la forme d'une couronne à denture intérieure. La couronne 33 peut se présenter sous la forme d'un pignon à denture extérieure.
La jante 3, c'est-à-dire la sortie du train épicycloïdal recevant le couple moteur, correspond à la couronne du train épicycloïdal mais en variante, elle peut être formée par le porte-satellite ou le pignon solaire du train épicycloïdal. De même, le volant d'inertie 1 , c'est- à-dire une première entrée du train épicycloïdal conditionnant la vitesse de la sortie, correspond au pignon solaire du train épicycloïdal mais en variante, le volant 1 peut être formé par la couronne extérieure du train épicycloïdal ou par le porte-satellite.
Dans un autre mode de réalisation, on peut incorporer une roue libre entre le volant d'inertie 1 et l'arbre 6 de la roue 100 de sorte que le volant 1 vienne automatiquement se bloquer lorsque son énergie se trouve totalement restituée. Cette réalisation nécessite toutefois l'usage d'une roue libre supplémentaire.
Dans un autre mode de fonctionnement, on peut remarquer que si le cycliste se maintient à l'arrêt et qu'il connecte le levier de commande en position de restitution, s'il commence à pédaler en marche arrière, le porte satellite va alors tourner en marche arrière alors que la vitesse de la roue et donc du pignon 33 sera nulle ainsi les équations de vitesse suivront les relations suivantes :
O3/0 = 0
Figure imgf000019_0001
Û2/0 étant négatif puisque le cycliste pédale en marche arrière, la vitesse du volant va être aussi négative et le volant va alors stocker de l'énergie alors que le vélo est à l'arrêt. Pour restituer simplement cette énergie le cycliste devra alors remettre le levier de commande en position neutre, lancer normalement son vélo et commander la restitution de l'énergie dès qu'il aura atteint la vitesse de synchronisme qui lui permettra alors de remettre le levier de commande en position de restitution ainsi il pourra comme dans la description précédente du mode de restitution récupérer l'énergie cinétique accumulée à l'arrêt.
Alors que les modes de réalisation décrits et mentionés jusqu'ici sont tous des systèmes où le volant d'inertie est placé à l'intérieur de la roue, on pourra également envisager des solutions où le volant d'inertie ainsi que le train épicycloïdal ne se trouve pas placé dans la roue. C'est le cas dans le mode de réalisation représenté à la figure 19 où le système 106 de stockage et de restitution d'énergie est placé au niveau du pédalier. Dans ce cas, la première pièce d'entrée/sortie du train épicycloïdal est solidaire du plateau avant 101. Le plateau avant est, quant à lui, de manière classique, cinématiquement lié avec la roue arrière motrice via une chaîne et un ensemble de pignons arrière 103.
Le système a été décrit ici dans le cadre d'une utilisation cycle. Pourtant les bénéfices qu'apporte l'invention, comme la légèreté, et le très bon rendement peuvent être utile dans bien d'autres cadres. Par exemple dans la fabrication d'automobiles.
Dans le cadre de l'invention, les différents modes de réalisation et variantes peuvent être combinés entre eux, au moins partiellement.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de stockage et restitution d'énergie caractérisé en ce qu'il comprend :
un arbre (6)
- une jante (3) de roue ou un élément lié cinématiquement à la jante,
- une chaîne de transmission de couple depuis un élément moteur jusqu'à ladite jante (3) de façon à mettre la jante ou l'élément qui lui est lié cinématiquement en rotation par rapport audit arbre (6);
- un train épicycloïdal comportant une première, une deuxième et une troisième pièce d'entrée/sortie et un mécanisme d'accouplement sélectif (5, 7) de ladite deuxième pièce d'entrée/sortie;
dans lequel, la première pièce d'entrée/sortie est constituée par ladite jante (3) ou par ledit élément lié cinématiquement à la jante, et la troisième pièce d'entrée/sortie est un volant d'inertie mobile en rotation par rapport à l'arbre (6) capable de stocker une énergie cinétique puis de la transmettre à la jante ou audit élément qui lui est cinématiquement lié ;
ledit train épicycloïdal admettant au moins une configuration de stockage d'énergie et une configuration de restitution d'énergie ;
caractérisé en ce que dans la phase de restitution d'énergie la deuxième pièce d'entrée/sortie se trouve liée à la chaîne de transmission de couple (81).
2. Système selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'en phase de stockage d'énergie, la deuxième pièce d'entrée/sortie se trouve bloquée par rapport à l'arbre (6).
3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le train épicycloïdal comprend une couronne (33) à denture interne solidaire de la jante, un porte-satellite (2) et un pignon solaire (11) solidaire du volant d'inertie.
4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le mécanisme d'accouplement (5, 7) comprend un crabot (5) mobile qui, dans la configuration de stockage d'énergie, immobilise le porte satellite (2) par rapport à l'arbre (6) et, dans la configuration de restitution de l'énergie stockée, connecte le porte-satellite (2) à la jante (3).
5. Système selon l'une des revendications précédentes, comprenant un mécanisme de roue libre (83, 84) entre le pignon moteur (81) et la jante (3) apte à transmettre le couple moteur en position neutre ou de stockage d'énergie et isolant automatiquement ces deux derniers en phase de restitution d'énergie.
6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le train épicycloïdal admet une configuration neutre, dans laquelle le pédalage du cycliste n'entraine pas de stockage d'énergie cinétique dans le volant d'inertie (1) et dans laquelle le cycliste ne récupère pas d'énergie cinétique stockée par le volant d'inertie (1).
7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le mécanisme d'accouplement (5, 7) comprend un crabot (5) qui, dans la configuration neutre, libère le porte-satellite (2).
8. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un mécanisme de roue-libre reliant le volant d'inertie (1) au moyeu (6) de la roue (100) qui bloque automatiquement la rotation du volant d'inertie (1) lorsque son énergie cinétique est totalement restituée.
9. Roue de cycle (100), caractérisée en ce qu'elle est équipée d'un système de stockage et restitution d'énergie cinétique selon l'une des revendications précédentes.
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