MEDIA Moyeu Multivitesses NEXUS Dossier technique
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SOMMAIRE
1 Présentation .......................................................................................................................................................... 3
2 Principe de fonctionnement ................................................................................................................................. 5
3 Analyse et description du moyeu ......................................................................................................................... 9
3-1 Analyse du besoin ......................................................................................................................................... 9
3-2 Description fonctionnelle ........................................................................................................................... 10
3-3 Description des sous ensembles ................................................................................................................. 13
4- Gamme de démontage ...................................................................................................................................... 18
5- Présentation du banc test .................................................................................................................................. 19
6- Notice de calcul ................................................................................................................................................ 20
6-1 Etude détaillée de la transmission .............................................................................................................. 20
Principe de la sélection de vitesse: ............................................................................................................... 23
Illustration: Rapport de troisième vitesse ..................................................................................................... 23
6-2 Etude détaillée du freinage ......................................................................................................................... 24
7- Principe et caractéristique des transmissions de bicyclettes "classiques" ........................................................ 27
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1 Présentation
DE 3 A 8 VITESSES
INTEGREES AU MOYEU ARRIERE
SG-3C40 3 vitesses intégrées
frein à rétropédalage
SG-3R40 3 vitesses intégrées
frein à commande manuelle
SG-4C30 4 vitesses intégrées
frein à rétropédalage
SG-8R20 8 vitesses intégrées
frein à commande manuelle
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Dans le domaine cyclistes, de compétition ou de loisir, un des organes de la
bicyclette les plus étudiés est certainement le système de changement de vitesses
permettant à l'utilisateur d'adapter son effort au conditions de route (choix des
plateaux et pignons).
Ce système de changement de vitesses utilisant un dérailleur s’est peu à peu
amélioré en efficacité offrant de nos jours une grande fiabilité dans le passage des
vitesses.
Devant les usages multiples de la bicyclette, la société SHIMANO à développée la
gamme NEXUS qui s’inscrit dans cette continuité historique du système de
changement de vitesse, pour répondre à une clientèle plus préoccupée par le confort
d’utilisation de leur bicyclette que par la performance sportive.
Cette nouvelle gamme de composants,
proposant entre-autre, un moyeu de roue
avant à dynamo intégrée ou un sytème de
changement de vitesse automatique,
comprend une série de moyeux de roue
arrière à vitesses intégrées.
Sur ce type de composants, les vitesses, et
dans certains cas le frein, sont intégrées
au moyeu arrière, ce qui offre un grand
confort d’utilisation:
Plus de saut de chaîne
Possibilité de cartériser la chaîne
(plus de pince à vélo)
Possibilité de passer les vitesses à
l’arrêt (au feu rouge)
Transmission robuste et de faible
entretien car isolée du milieu extérieure
L’entretien est fortement diminué
puisque le graissage est assuré à vie et
qu’aucun organe sensible n’est exposé
aux corps étrangers (poussières, eau...)
ou aux chocs. De plus, la robustesse du train à planétaire réalisant la transmission du pignon à la roue arrière
assure la longévité du mécanisme.
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2 Principe de fonctionnement
Le composant présenté ci-dessous est le moyeu SG-4C30 issu de la gamme nexus. Il intègre:
Le système de transmission de puissance permettant le changement de
vitesse par REDUCTEUR EPICYCLOIDAL Le système de sélection de vitesse
Le frein par rétropédalage
Le mouvement de
pédalage du
cycliste est
transmis au
pignon arrière par la chaîne.
Le mouvement du pignon arrière est adapté par le
réducteur épicycloïdal en fonction de la vitesse
sélectionnée par l'utilisateur, puis le mouvement est
transmis au corps du moyeu, lié à la roue par les
rayon, grace à la roue libre à rouleau.
Pour obtenir le freinage, le cycliste doit exercer un
effort de pédalage à l'envers (rétropédalage). Cet
effort est transmis au bloc de freinage, interne au
moyeu, par le pignon arrière. Le bloc de freinage
arrière (frein à rouleau) ralentie alors le roue arrière
par frottement à l'intérieure du corps de moyeu
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Les différents rapports de transmission sont obtenus en immobilisant successivement l'un des trois
planétaire central en rotation. La première vitesse correspond à une prise direct entre le pignon la roue,
la puissance n'est pas transmisse par le train à planétaire dans ce cas.
1ère
Vitesse
2ème
Vitesse
3ème
Vitesse
4ème
Vitesse
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43 cache plastique 1
42 Ecrou 1
41 Pignon 1
40 Anneau élastique torique C60 1
39 Anneau élastique torique C60 1
38 Anneau élastique torique C60 1
37 Anneau élastique torique 51 Si 7 1
36 Cliquets 36 Ni Cr Mo 16 4
35 Anneau élastique C60 1
34 Cage à rouleaux 1
33 Jonc C60 1
32 Ressort de rappel des mâchoires C60 1
31 Anneau élastique à montage radial d9 Cu Be 2 1
30 Carter 1
29 Sélecteur 36 Ni Cr Mo 16 1
28 Bague de sélecteur 1
27 Contre-écrou 1
26 Ecrou 1
25 Rouleaux de frein 38 Cr 2 5
24 Rondelle 1
23 Anneau élastique à montage radial d9 Cu Be 2 1
22 Anneau élastique pour alésage D38 C60 1
21 Anneau élastique C60 1
20 Rouleaux 36 Ni Cr Mo 16 15
19 Flasque droit 38 Cr 2 1
18 Flasque gauche 38 Cr 2 1
17 Moyeu 38 Cr 2 1
16 Cage à billes 1
15 Cage à billes 1
14 Cage à billes 1
13 Planétaire 36 Ni Cr Mo 16 1
12 Planétaire 36 Ni Cr Mo 16 1
11 Planétaire 36 Ni Cr Mo 16 1
10 Mâchoires de frein 2
9 Roue libre à cliquet-cage à rouleaux 38 Cr 2 1
8 Came 1
7 Planétaire 36 Ni Cr Mo 16 1
6 Ressort de rappel 51 Si 7 1
5 Bras d'étrier 38 Cr 2 1
4 Satellite 36 Ni Cr Mo 16 1
3 Etrier de frein 38 Cr 2 1
2 Porte-satellite 38 Cr 2 1
1 Arbre 36 Ni Cr Mo 16 1repère désignation matériau nombre
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3 Analyse et description du moyeu
3-1 Analyse du besoin
Le diagramme cause effet ci-dessous met en évidence les principaux défaut des transmissions de vélo classique
par pignon-chaîne pour une clientèle favorisant le conforts d'utilisation sur l'aspect sportif (usage citadin...):
Utilisateur Confort
Système de
changement de
vitesses
A qui rend-il service? Sur quoi agit-il?
Dans quel but?
Permettre à l'utilisateur d'adapter son effort aux conditions de route
Insatisfaction
de
l’utilisateur
Transmettre la puissance
salissant
Changer de
vitesse
Saut de chaîne
Passage d’une
vitesse à l’arrêt
impossible
Maintenir en état
Graissage
fréquent
Pénétration de corps
étrangers
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3-2 Description fonctionnelle
Le diagramme des interacteurs ci-dessous met en évidence les fonctions de service auxquelles doit répondre le
système, dans sa phase d’utilisation, vis à vis des éléments qui lui sont extérieurs.
Le tableau de caractérisation des fonctions de service permet de mettre en évidence les principaux critères
d’appréciations pris en compte.
Fonctions de service Critères d'appréciation Niveau d'exigence Flexibi
lité
FS1
Permettre à l'utilisateur
d'ADAPTER son effort au
couple résistant sur la roue
arrière
Effort maxi d'un
cycliste peu ou
moyennement entraîné
4 Vitesses telles que :
1 < R < 2
Homme : < 400 N
Femme : < 300 N
F0
F1
F1
Durée de vie Résistance mécanique de
la transmission F0
Commande par câble F0
FS2
Permettre à l'utilisateur
de FREINER la roue
arrière
Distance de freinage 1 m < à 10 km/h F0
Effort maxi Homme: < 400 N
Femme: < 300 N
F1
F1
FS3 S'ADAPTER au cadre de
la bicyclette Cadre standard
Axe de moyeu: 10 mm
Entraxe: 140 mm maxi
FS4 RESISTER aux agressions
du milieu extérieur
Etanchéité à l'humidité Protégé contre les
projections d'eau
Etanchéité aux corps
étrangers
Pas de pénétration de
corps étranger de >5 m
FS5 S'ADAPTER à la roue de
bicyclette
Encombrement Intérieur au moyeu de
roue arrière F0
Diamètre et nombre des
rayons
13 mm ou 14 mm
18 rayons de chaque coté. F0
Il faut rajouter cependant les critères comparatifs mis en évidence par le diagramme cause-effet (figure 1) qui
sont considérés comme des contraintes de conception pour la société SHIMANO. C’est une nécessité pour se
démarquer de la solution traditionnelle de transmission de puissance et éviter l’insatisfaction des utilisateurs.
FS1 Permettre à l'utilisateur d'ADAPTER
son effort au couple résistant sur la
roue arrière
FS2 Permettre à l'utilisateur de FREINER
la roue arrière
FS3 S'ADAPTER au cadre de la
bicyclette
FS4 RESISTER aux agressions du milieu
extérieur
FS5 S'ADAPTER à la roue de bicyclette
FS5
FS3
FS4
FS1
FS2
Moyeu arrière
multivitesse
NEXUS
Milieu
extérieur
utilisateur Roue
arrière
Cadre de
bicyclette
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Train à planétaire
FS1: Permettre
à l'utilisateur
d'ADAPTER
son effort au
couple résistant
sur la roue
arrière
FT12: Adapter l'énergie
mécanique FT 121: Modifier le rapport de
transmission
FT 13: Permettre à l'utilisateur
de sélectionner une vitesse Poignée tournante
Câble FT 132: Transmettre la commande
au moyeu arrière
FT 131: Transformer la commande
humaine en commande mécanique
FT 133: Libérer les planétaires en
rotation
Sélecteur rotatif
FT 134: Assurer l'arrêt en rotation
d'un planétaires
Epaulement sur l'arbre
c
FT 135: Assurer le retour en
position du sélecteur rotatif
Ressort de rappel
FT 1211: adapter l'énergie mécanique
selon le rapport sélectionné
FT 122: Transmettre l'énergie
mécanique à la roue
FT 1221: En prise direct
FT11: Transmettre l'énergie
mécanique au moyeu arrière
Cliquets et ressorts (roue libre) interne aux
planétaires
FT 1212: Immobiliser un planétaire
en rotation
Roue libre à cliquet
Roue libre à rouleaux FT 1222: Via le train à planétaire
Pignon Chaîne
FT 136: Indiquer à l'utilisateur le
vitesse sélectionnée
"Voyant" plastique rouge
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Système plateau-pignon
- chaîne
FS2: Permettre
à l'utilisateur
de freiner la
roue arrière
FT21: Transmettre l'effort de
freinage au moyeu
FT 22: Provoquer un couple de
freinage par frottement Mâchoires de frein
rouleau FT 222: Exercer un effort presseur
sur les mâchoires
FT 221: Exercer un couple de
freinage par frottement
FT 2221: Maintenir en position les
rouleaux Roue libre à cliquet-cage à
rouleaux
FT 2222: Immobiliser les rouleau en translation/ à la cage à rouleaux
rondelle
Anneau élastique FT 2223: Arrêter en translation la
rondelle/ à la came de freinage
Etrier de frein
Anneau élastique de rappel
FT 2211: Assurer le retour en
position des mâchoires
FT 2212: Immobiliser les
mâchoires en rotation / au moyeu
Came FT 223: Transmettre l'effort de
freinage aux rouleau
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3-3 Description des sous ensembles
La description fonctionnelle (page 4) est présentée sous la forme diagramme FAST (Function Analysis System
Technic). Le point de vue adopté est celui de l’utilisateur et décrit les principales fonctions du système "Moyeu
multi-vitesses"
Pour chacune des fonctions élémentaires un descriptif sommaire présente la solution technique associée.
FT11: Transmettre l'énergie mécanique au moyeu arrière "
FT 12: adapter l'énergie mécanique
FT 1211: "adapter l'énergie mécanique selon le rapport sélectionné "
L'arrêt en rotation du pignon sur le porte-satellite
est assuré par un ensemble de 3 cannelures
cylindriques. L'arrêt axial est assuré par un anneau
élastique à section cylindrique
L'adaptation de l'effort de l'utilisateur aux
conditions de route est assurée par un ensemble de
trois trains à planétaires offrant une transmission
robuste et de faible encombrement
FT11: Transmettre l'énergie
mécanique au moyeu arrière Pignon Chaîne
Train à planétaire
Train à planétaire FT12: Adapter l'énergie
mécanique FT 121: Modifier le rapport de
transmission
FT 1211: adapter l'énergie mécanique
selon le rapport sélectionné
FT 122: Transmettre la
puissance à la roue FT 1221: En prise direct
Cliquets et ressorts (roue
libre) interne aux planétaires
FT 1212: Immobiliser un planétaire
en rotation
Roue libre à cliquet
Roue libre à rouleaux FT 1222: Via le train à planétaire
FT 1211: adapter l'énergie mécanique
selon le rapport sélectionné
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Le principe de sélection de vitesse repose sur l'arrêt en rotation d'un des trois planétaires à la fois. Cet arrêt en
rotation est réalisé par roue libre. Le mouvement de rotation des deux planétaires inutilisé dans la vitesse
choisie est permit à la fois par le sélecteur rotatif et par une propriété cinématique du train à planétaire détaillée
au chapitre "compléments" de ce dossier technique.
FT 1212: Immobiliser un planétaire en rotation
FT 1221:" TRANSMETTRE la puissance en prise directe "
L'arrêt en rotation des planétaire est assurée par
deux cliquets maintenus en butée par un anneau
élastique sur une languette usinée sur l'arbre
centrale.
Cliquets et ressorts (roue libre) interne aux
planétaires
FT 1212: Immobiliser un planétaire
en rotation
Cette roue libre n'est utilisée que pour la première
vitesse. La roue tourne alors à la même vitesse que le
pignon.
FT 1221: En prise direct Roue libre à cliquet
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FT 1222: " TRANSMETTRE la puissance via le train à planétaire "
Le principe de fonctionnement
L’activation:
Le cycliste entraîne en rotation le
pignon de la roue arrière qui active le système de réduction.
Le mouvement de rotation est alors transmis au planétaire
de sortie 16. La rotation du planétaire de sortie va, par
l’intermédiaire de sa forme de came sur l’extérieur, tendre à
écarter les rouleaux cylindriques 15 guidés par le guide-
rouleaux 40. Cet écartement permettra alors le blocage des
rouleaux 15 sur la partie cylindrique intérieure du moyeu
10. Le planétaire de sortie 16 et le moyeu 10 seront dès lors
totalement solidaires l’un de l’autre.
Transmission assurée.
La désactivation:
Il s’agit du cas où le cycliste n’a pas le besoin d’appuyer sur les pédales (descente par exemple).
A ce moment-là le mouvement de rotation du pignon n’est plus assurée.
Le planétaire de sortie 16 ne tourne plus, ce qui a pour conséquence une non-activation du
système de came sur les rouleaux cylindriques 15. Le planétaire de sortie 16 et le moyeu 10 ne
seront alors plus solidaires.
Pas de transmission.
Roue libre à rouleaux
FT 1222: Via le train à planétaire
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Planétaire
Cliquet
Arbre
Sélecteur
Ressort
FT 13 "PERMETTRE à l'utilisateur de sélectionner une vitesse"
FT 133 et 134
Principe de fonctionnement
L’activation: On obtient la sélection des vitesses par une succession de rotation du
sélecteur 28 autour de l’axe 1 fixe. Sur la représentation ci-contre, le
sélecteur 28 est en position vitesse sélectionnée.
Le planétaire d’entrée tourne autour de son axe et entraîne le couple de
cliquet qui lui est lié. Le ressort permet l’insertion des cliquets sur les
languettes de l’axe 1.Dès lors, le planétaire d’entrée est fixe par rapport à
l’axe 1.
La transmission est assurée.
La désactivation: Pour désactiver l’action de la roue libre, et donc libérer le planétaire d’entrée
sélectionné, il suffit de sélectionner une autre vitesse par un mouvement de rotation
du sélecteur 28. Cette rotation a pour conséquence d’escamoter le couple de cliquets
des languettes de l’axe 1. Confère la figure ci-contre. Il n’y a plus, à ce moment-là, de
possibilité de blocage du planétaire d’entrée qui tourne alors dans le vide.
La transmission n’est plus assurée.
Le sélecteur permet de libérer en rotation les deux
planétaires inutilisés dans le rapports de
transmission choisi par l'utilisateur.
FT 13: Permettre à l'utilisateur
de sélectionner une vitesse
FT 133: Libérer les planétaires en
rotation Sélecteur rotatif
FT 134: Assurer l'arrêt en rotation d'un planétaires
Epaulement sur l'arbre c
FT 135: Assurer le retour en
position du sélecteur rotatif Ressort de rappel
FT 133: Libérer les planétaires en
rotation Sélecteur rotatif
FT 134: Assurer l'arrêt en rotation d'un planétaires
Epaulement sur l'arbre
c
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FT 135 " ASSURER le retour en position initiale du système de sélection "
FT 22: Provoquer un couple de freinage par frottement
Le principe de fonctionnement
Freinage:
Le freinage est obtenu lorsque l'utilisateur produit un effort de rétropédalage.
Ce mouvement de rétro-pédalage provoque l'expension des mâchoires qui vont
freiner le moyeu par frottement
La came 12 est entraînée en rotation par l’intermédiaire de cinq cannelures qui
la lie au porte-satellite. La came 12 produit un mouvement de translation des
cinq rouleaux presseurs 2 induisant l'expension des mâchoires 51.
Les mâchoires 51 viennent alors créer un effort presseur sur la surface
cylindrique intérieure du moyeu 10.
Le frein est actif.
Désactivation du frein:
En pédalage normal, les rouleaux restent dans les logements prévus sur la
came. Ils n'exercent alors plus d'effort d'expension sur les mâchoires.
Le frein est inactif.
Le retour en position initiale du sélecteur s'effectue par
le ressort de rappel (6). Celui-ci est lié à gauche à un
flasque solidaire de l'arbre (via une rainure usinée dans
l'arbre), et à droite à un flasque solidaire du sélecteur.
La rotation relative de ces deux flasques provoque la
déformation du ressort de rappel (voir dessin
d’ensemble).
FT 135: Assurer le retour en position du sélecteur rotatif
Ressort de rappel
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4- Gamme de démontage
27
26
30+3
16
42
37
41
43
17
31
FREIN
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5- Présentation du banc test
Pupitre
Motoréducteur
électrique
Système plateau-
pignon - chaîne
FS1: SIMULER le
fonctionnement de
la transmission
Nexus
FT11: Gérer le fonctionnement
FT12: Mettre en rotation la roue
arrière
FT122: Transmettre l'énergie
mécanique au pignon arrière
FT121: Transformer une énergie Electrique en une énergie
mécanique de rotation
F111: Permettre à l'utilisateur de commander le moteur
FT123: Adapter l'énergie
mécanique Moyeu multivitesses
FT124: Simuler le déplacement du
vélo Roue
Pupitre FT14Informer l'utilisateur
FT 132: Transmettre la commande
au moyeu arrière
FT 133: Libérer les planétaires en
rotation
FT 134: Assurer l'arrêt en rotation
d'un planétaires
FT 135: Assurer le retour en
position du sélecteur rotatif
FT 136: Indiquer à l'utilisateur le
vitesse sélectionnée
Poignée tournante
Câble
Sélecteur rotatif
Epaulement sur l'arbre c
Ressort de rappel
"Voyant" plastique
rouge
FT 13: Permettre à l'utilisateur
de sélectionner une vitesse FT 131: Transformer la commande
humaine en commande mécanique
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Z11 30 Z4a 30
Z12 39 Z4b 19
Z13 45 Z4c 13
Nombre de dents Schéma cinématique
11 12 13
4c 4b 4a
6- Notice de calcul
6-1 Etude détaillée de la transmission
La transmission de puissance est réalisée par un ensemble de trois trains à planétaire. La puissance
transmise par la chaîne au pignon arrière est récupérée sur le porte satellites commun aux trois trains à
planétaires.
La sélection d'un rapport de réduction va s'effectuer par l'arrêt en rotation de l'un des trois
planétaires (repère 11, 12 et 13). Bien entendu il ne faut arrêter qu'un seul planétaire à la fois.
Ce problème de sélection de vitesse est rendu encore plus délicat par le faible encombrement
imposé par l'intégration de cette transmission dans le moyeu arrière. Nous pouvons préciser
ici que la sélection d'un rapport de réduction est, entre autre, réalisée technologiquement par
des roues libres à cliquets (non représentées sur le schéma cinématique figure 4).
Ces 3 trains à planétaires offrent 3 rapports de réduction. Le
quatrième rapport est une prise directe entre le pignon et
le moyeu.
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Rapport de 1ere
: La roue et le pignon
sont en prise directe
via le porte satellites (2) et la roue libre
à cliquet (9).
R1=1.(NB: R= roue / pignon )
Rapport de 2nd
: Le planétaire (11) est
arrêté en rotation sur l'axe (1). La
transmission est réalisée par
l'intermédiaire des planétaires (11) et (7)
et par le satellite (41).
R2=1,243.
Rapport de 3ème
: Le planétaire (12) est
arrêté en rotation sur l'axe (1). La
transmission est réalisée par
l'intermédiaire des planétaires (12) et
(7) et par le satellite (42).
R3=1,5.
Rapport de 4ème
: Le planétaire (13) est
arrêté en rotation sur l'axe (1). La
transmission est réalisée par
l'intermédiaire des planétaires (13) et
(7) et par le satellite (43).R4=1,843.
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Adaptation à différents types d'utilisateurs:
L'intégration de la transmission au moyeu arrière présente, entre autres avantages, celui de permettre un
montage simple du pignon arrière sur le porte satellites. Ce dernier est en effet arrêté en rotation sur le porte-
satellites par des cannelures et arrêté en translation par un anneau d'arrêt élastique (voir dessin d’ensemble).
Ce type de montage rapide permet un changement aisé du pignon arrière pour adapter la transmission à l'âge
et à la physiologie de l'utilisateur (enfant, personne âgée, homme, femme…).
Le graphique figure 5 compare les différents rapports de réduction obtenus par une transmission NEXUS 4
vitesses utilisée avec différents pignons arrières (plateau 33 dents) aux rapports de réduction permis par une
transmission de bicyclette de ville classique (1 plateau et 3 pignons).
Le graphique figure 5 montre qu'il est possible de balayer une large plage de rapports de transmission en
adaptant le pignon arrière à la physiologie de l'utilisateur.
Rq: Il y a encore la possibilité d'utiliser un plateau 38 dents sur les bicyclettes équipés de cette transmission
NEXUS.
Etude de la sélection d'une vitesse
Démarche: Partant du signe du couple exercé sur le porte satellites et sur la roue, on détermine le sens de l’arrêt
en rotation à utiliser pour chaque planétaire. Le modèle de l’étude est indiqué figure 6.
Le porte satellites 4 est lié au pignon arrière, le planétaire 3 est lié à la roue et le planétaire 1 est le planétaire
bloqué en rotation.
Si on appelle C1, C3 et C4 les couples appliqués par l’extérieur au train à planétaire sur les pignons 1, 3 et 4, la
relation sur les couples nous donne alors :
CC C
3
1 4
1 étant la raison de base du train telle que:
3
1
ZZ
Dans l’exigence que nous vérifions, C3 est un couple résistant et C4 un couple moteur, donc de signe opposé à
C3. Alors, la relation ci-dessus nous indique que le couple C1 appliqué par l’arbre sur le planétaire 1 doit
être de même signe que C3 puisque < 0.
COMPARAISON des rapports de transmission entre vélo de ville
"classique" et NEXUS
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
16 18 19 20 21 22
Nombre de dents du pignon arrière sur NEXUS
Ra
pp
ort
s d
e t
ran
sm
iss
ion
"R
"
R Moyeu NEXUS plateau 33 dents
R pour vélo de ville classique: plateau 42
dents et cassette (16,20,24)
Figure 5
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Principe de la sélection de vitesse:
Ce principe repose sur une propriété cinématique des trois trains à planétaires. Lorsque l'un des
planétaires (11, 12 ou 13) est lié à l’arbre par la roue libre présentée ci-dessus, il faut impérativement que les
deux autres soient libres en rotation sur l'arbre (1). Deux cas se présentent pour les planétaires libres en rotation:
- Soit le sens de rotation du planétaire inutilisé ne permet pas d'activer sa roue libre d'arrêt en rotation: le
planétaire est alors libre grâce à la cinématique imposée par le rapport sélectionné.
- Soit le sens de rotation du planétaire inutilisé permet le blocage de sa roue libre d'arrêt en rotation: il
faut alors prévoir sur le sélecteur ( 29 ) une rampe pour escamoter les 2 cliquets et ainsi inactiver la
roue libre.
Illustration: Rapport de troisième vitesse
Figure 9: Perspective de la
moitié supérieure du sélecteur
11
(11/1)
42
12
J: CIR de
42/R0 41
(13/1) > 0 : La roue libre de (13) est
active. Il faut donc escamoter ses 2
cliquets grâce aux rampes du
sélecteur
(11/1) < 0 : La roue libre de (11)
est inactive grâce à la cinématique
imposée par (12). (11) est libre en
rotation.
(12/1) = 0 : Vitesse sélectionnée.
R=1,5.
43
13
(13/1)
Position du sélecteur pour ce
rapport (voir figure 9)
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6-2 Etude détaillée du freinage
Etude technologique
Pour des raisons d’encombrement, c’est un FREIN A TAMBOUR qui a été retenue (voir figure 10). Ce frein
dispose de deux mâchoires identiques disposées symétriquement.
La particularité de ce frein est que le mouvement des mâchoires n’est pas un mouvement de rotation (comme
pour les freins à mâchoires articulées employés dans l’automobile, par exemple) mais un mouvement
d’expansion. Cette cinématique de freinage présente l’avantage d’avoir une répartition de pression plus
uniforme au contact mâchoires/tambour et limite le problème d’auto-serrage
Phénomène d’auto-serrage
Ce phénomène provient de la position excentrée du centre de rotation des mâchoires par rapport au centre
rotation du tambour. Lors du freinage, dans cette architecture, les composantes tangentielles des actions
mécaniques de contact mâchoires/tambour ont tendance à pousser une des mâchoires sur le tambour et à tirer
l’autre mâchoire.
L’auto-serrage présente un avantage s’il est considéré comme une assistance au freinage, mais il présente
l’inconvénient d’engendrer parfois des blocages incontrôlés.
Cet inconvénient a été ici éliminé en remplaçant le mouvement de serrage par rotation par un mouvement de
translation
Rôle du décalage angulaire entre les dentures de la came
(8) et le support de roue libre (9).
La pièce (8) supportant les surfaces came est en liaison
par des dentures avec le porte satellites (2) et avec la roue
libre de prise directe (9). On remarque l’existence d’un
débattement angulaire dans ces deux paires de dentures.
Le débattement angulaire entre la came (8) et le porte
satellites (2) a pour fonction de retarder le freinage immédiat
lors d’une modification inopiné du pédalage qui pourrait
entraîner un léger rétropédalage (arrêt du pédalage en
descente par exemple). Ce jeu angulaire évite le freinage intempestif et involontaire de la part de l’utilisateur et
apporte un confort supplémentaire dans la gestion du pédalage.
Le support de roue libre à cliquets (9) sert aussi de cage pour les rouleaux presseurs.
Lors d’un rétropédalage, il faut qu’il y ait une rotation relative entre la pièce came (8) et les rouleaux. Si la
came (8) entraîne la cage (9) il n’y a pas cette rotation relative, mais une rotation d’ensemble. Le débattement
angulaire entre (8) et (9) a donc pour fonction d’assurer le non entraînement de (9) par (8) lors d’un
rétropédalage.
Rôle de l’anneau élastique 35
Pour s’assurer définitivement de la non-rotation de la cage à rouleaux (9) par rapport au mâchoires de frein lors
du rétropédalage, cette pièce est munie, dans une gorge, d’un anneau élastique (35) dont une extrémité est
immobilisée en rotation dans les mâchoires de frein.
En pédalage normal, les frottements entre la cage (9) et l’anneau élastique (35) ont tendance à ouvrir cet
anneau (35). La rotation de la cage (9) n’est donc pas perturbée.
En rétropédalage, la rotation de la cage (9) dans le même sens que la came (8), due aux actions des rouleaux et
du frottement, à tendance à fermer l’anneau (35) sur la cage (9); l'anneau (35) "pince" la cage à rouleaux (9).
Ceci suffit à bloquer par frottement la rotation de (9).
Figure 12: came 8
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Performances du freinage.
Nous remarquons, pour cette courbe que l’exigence du cahier des charges (distance de freinage<1m pour N =
400 N (effort de pédalage maxi pour un homme) n’est pas complètement validée pour le seul frein intégré. Cela
est dû au choix de l’effort porté sur la pédale, il est cependant, raisonnable de penser que lors d’un
rétropédalage l’effort porté sur la pédale serait supérieur à 400 N (éventuellement poids du cycliste sur une
pédale).
D’autre part, pour augmenter l’efficacité globale du freinage, les bicyclettes équipés de ce système sont aussi
équipés d’un frein avant traditionnel.
L’efficacité et la progressivité du frein intégré est par contre indéniable pour des efforts variant entre 50 et 300
N, ce qui permet à l’utilisateur de pouvoir gérer de manière très souple son freinage.
Même constat pour cette autre simulation (figure 15). Ici pour N = 300 N, la distance théorique de freinage est:
d = 1, 3 m. Ce qui permet de valider cette solution technique pour une utilisation dans des conditions
"normales". Le respect du critère du cahier des charges (1 m de distance de freinage) intervient pour un effort
de 400 N
De manière générale, on voit sur le graphique (figure 16) que le couple de freinage appliqué sur la roue arrière
seule conduit à l’arrêt de la bicyclette dans des distances acceptables pour des vitesses aux alentours de 15
km/h. Cette observation conduit à estimer que ce frein est suffisant pour une utilisation citadine moyenne, où
les vitesses ne sont en général pas élevées.
50 100 150 200 250 300 350 400 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Effort de retropédalge N (en Newton)
Dis
tan
ce d
e fr
ein
ag
e d
(en
mèt
re)
figure 14
Simulation pour un homme :
Masse totale : Meq = 90 kg
Vitesse initiale : vo = 10 km/h
50 100 150 200 250 300 350 400 0
1
2
3
4
5
6
7
8
Effort de rétropedallage N (en
Newton)
Dis
tan
ce d
e fr
ein
ag
e d
(en
mèt
re) figure 15
Simulation pour une femme :
Masse totale : Meq = 60 kg
Vitesse initiale : vo = 10 km/h
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Evidement, lors d’un freinage d’urgence, le frein avant est lui aussi utilisé
Conclusion sur la fonction Freiner
Nous n’avons pas tenu compte ici du temps de réaction au freinage. Il est à prévoir que l’inversion du sens de
pédalage pour stopper la bicyclette en cas D’URGENCE conduise à allonger ce temps de réaction. Une
pression sur une commande de frein manuelle conduisant à un temps de réaction plus court.
Ce frein est efficace avec l’appoint d’un frein à commande manuelle à l’avant, et convient pour une utilisation
citadine de la bicyclette, ce pour quoi a été conçu ce moyeu.
50 100 150 200 250 300 350 400 0
10
20
30
40
50
60
70
80
Effort N (en Newton)
Dis
tan
ce d
e fr
ein
ag
e d
(en
mèt
re)
figure 16
Meq = 90 kg vo = 25 km/h
vo = 20 km/h
vo = 15 km/h
vo = 10 km/h
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7- Principe et caractéristique des transmissions de bicyclettes "classiques"
Un des organes de la bicyclette ayant subit d'importantes améliorations est la transmission de puissance.
Les transmissions de bicyclettes actuelles reposent toutes sur le même principe:
- L'énergie mécanique produite par l'effort musculaire de pédalage du cycliste est transformée en
une énergie mécanique de rotation grâce à un système de manivelle placée sur le pédalier.
- Cette énergie mécanique de rotation du pédalier est transmise au pignon arrière de la bicyclette
par l'ensemble " plateau - chaîne - pignon ".
- Un système de changement de vitesse par dérailleur assure la tension de la chaîne et son
engrènement sur différents pignons arrières.
Ce système de changement de vitesse, commandé par l'utilisateur, permet à celui-ci d'adapter son
effort aux conditions de route (plat, monté, descente, terrain meuble…).
- L'énergie mécanique de rotation récupérée sur la roue arrière, liée au pignon, permet le
déplacement de la bicyclette grâce à l'adhérence sol/roue
roue arrière
Pignons
Chaîne
Plateau
Manivelle
roue avant
dérailleur
Pédalier
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Pédaliers
Nombre de dents:44, 32, 22
Pignons
Nombre de dents:13, 14, 15, 16, 17, 19,
21
Dérailleurs
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DEFINIR
DEMONTER
VALIDER
DECODER