Calcul de rendement de trains épicycloïdaux

[SIMEARTH]

Bonjour à tous,

Dans le cadre d'un projet perso, je réfléchie à des concepts/architectures de boîte de vitesses pour vélo (musculaire), qui permettraient d'avoir un rendement élevé.
L'utilisation de trains épicycloïdaux semble être la meilleure solution potentielle en terme de rendement (pour une boîte de vitesses à engrenages), sous réserve d'utiliser la/les bonnes configuration (car les trains d'engrenages épicycloïdaux offrent beaucoup de possibilité mais avec des rendements globaux plus ou moins bons d'une config à l'autre).

J'aimerais donc définir un certains nombres de configurations de trains épicycloïdaux "classiques" et leur associer une valeur de rendement. Pour ensuite savoir lesquels utiliser en priorité dans mes propositions d'architectures.

Dans le domaine de trains épicycloïdaux, les travaux de recherche et la littérature scientifique est à priori dense depuis quelques décennies (via les secteurs automobile, spatial, économie d'énergie, etc...).
En cherchant un peu on trouve rapidement pas mal d'articles de références et quelques noms qui reviennent régulièrement (Radzimovsky, Merritt, Henriot, Looman, Pennestri, Del Castillo, Anderson & Loewenthal,...), mais ce n'est malgré tout pas si aisé à appréhender (Tous les articles ne sont pas forcément accessibles gratuitement, tous ne sont pas forcément en français ou anglais, long de tout survoler et de savoir quel document considérer comme référence.. ; et enfin pas évident de tout comprendre du premier coup, même si mon besoin est assez ciblé et plutôt basique (formules de rendement pour tout les types de trains de trains épicycloïdaux basiques).

- Avant tout, suis-je sur le bon forum ? Ici ça a l'air très orienté physique/sciences fondamentales alors que j'arrive avec des questions mécanique/science de l'ingénieur..

- Connaîtriez-vous un ouvrage de référence (en français ou en anglais) sur ce sujet (rendement des trains épi) ? Je vais prochainement avoir accès au Henriot 8ème édition (bible française sur les engrenages, qui comporte normalement un gros chapître sur les trains épi), j'espère que ça m'éclairera.

- Certains auraient-ils de connaissance sur le sujet pour discuter un peu technique ici ?

- Et sinon, y a-t-il des sites spécifiques et officiels pour se procurer tous types d'articles scientifiques ?.. Google me renvoie sur quelques plateformes mais je doute que ce soit les plus pertinentes.


Merci d'avance pour vos retours !
-----

[XK150]

Bonjour ,

D'après vous , ce serait quoi un rendement " élevé " par rapport aux rendements globaux " plus ou moins bons " ?
Quelles sont les valeurs ? D'où tenez vous vos affirmations ?

[trebor]

Bonjour à tous,

Dans le cadre d'un projet perso, je réfléchie à des concepts/architectures de boîte de vitesses pour vélo (musculaire), qui permettraient d'avoir un rendement élevé.
L'utilisation de trains épicycloïdaux semble être la meilleure solution potentielle en terme de rendement (pour une boîte de vitesses à engrenages), sous réserve d'utiliser la/les bonnes configuration (car les trains d'engrenages épicycloïdaux offrent beaucoup de possibilité mais avec des rendements globaux plus ou moins bons d'une config à l'autre).

J'aimerais donc définir un certains nombres de configurations de trains épicycloïdaux "classiques" et leur associer une valeur de rendement. Pour ensuite savoir lesquels utiliser en priorité dans mes propositions d'architectures.

Dans le domaine de trains épicycloïdaux, les travaux de recherche et la littérature scientifique est à priori dense depuis quelques décennies (via les secteurs automobile, spatial, économie d'énergie, etc...).
En cherchant un peu on trouve rapidement pas mal d'articles de références et quelques noms qui reviennent régulièrement (Radzimovsky, Merritt, Henriot, Looman, Pennestri, Del Castillo, Anderson & Loewenthal,...), mais ce n'est malgré tout pas si aisé à appréhender (Tous les articles ne sont pas forcément accessibles gratuitement, tous ne sont pas forcément en français ou anglais, long de tout survoler et de savoir quel document considérer comme référence.. ; et enfin pas évident de tout comprendre du premier coup, même si mon besoin est assez ciblé et plutôt basique (formules de rendement pour tout les types de trains de trains épicycloïdaux basiques).

- Avant tout, suis-je sur le bon forum ? Ici ça a l'air très orienté physique/sciences fondamentales alors que j'arrive avec des questions mécanique/science de l'ingénieur..

- Connaîtriez-vous un ouvrage de référence (en français ou en anglais) sur ce sujet (rendement des trains épi) ? Je vais prochainement avoir accès au Henriot 8ème édition (bible française sur les engrenages, qui comporte normalement un gros chapître sur les trains épi), j'espère que ça m'éclairera.

- Certains auraient-ils de connaissance sur le sujet pour discuter un peu technique ici ?

- Et sinon, y a-t-il des sites spécifiques et officiels pour se procurer tous types d'articles scientifiques ?.. Google me renvoie sur quelques plateformes mais je doute que ce soit les plus pertinentes.


Merci d'avance pour vos retours !

Bonjour à tous,
Le poids sera plus important comparé à un dérailleur, le prix également et pour la perte d'énergie, il y en a entre les dents en contacts ainsi que du lubrifiant et l'air mis en mouvement.
J'ai posé la question à I.A comparé à un dérailleur de vélo :
Les trains épicycloïdaux (moyeux à vitesses) sont généralement moins efficaces que les dérailleurs, avec un rendement d'environ 90% contre une efficacité souvent supérieure pour les dérailleurs dans leur plage d'utilisation optimale.
Cela signifie qu'une transmission épicycloïdale peut entraîner une perte d'énergie d'environ 10% ou plus, comparée à une perte potentiellement plus faible pour un dérailleur bien entretenu.
https://www.google.com/search?q=quel...t=gws-wiz-serp

[bibifikotin]

. Google me renvoie sur quelques plateformes mais je doute que ce soit les plus pertinentes.


Merci d'avance pour vos retours !

Bonjour,
Avant de juger si pertinent ..ou pas, je commencerais par visiter ces plateformes !
Il vaut mieux éviter les "à priori"! On juge...sur piéces, pas au doigt levé.
Cordialement

[A voir en vidéo sur Futura]

[Gwinver]

Bonjour.
C'est une bonne initiative.
La concurrence est pourtant rude.
Il existe actuellement des boîtes de vitesse de vélo, logées dans le moyeu de la roue arrière, et annonçant un excellent rendement*:

https://fr.wikipedia.org/wiki/Speedhub_500/14

https://www.rohloff.de/fileadmin/use...tilisation.pdf

Qui revendique un rendement "comparable" à celui d'un dérailleur :

Comparatif des rendements
Les rendements mécaniques* et donc les pertes d’énergie du moyeu Rohloff SPEEDHUB 500/14 sont pleinement
comparables à celles d’un système à dérailleur de haut de gamme.
Les pertes d’un système à dérailleur résultent des forces de frottement des roulements de pédalier, du moyeu, de la
chaîne sur les dents des différents pignons, plateaux et galets ainsi que des frottements internes de cette chaîne.
L’importance de ces pertes dépend de la taille des pignons et plateaux sur lesquels la chaîne se trouve, de la ligne plus
ou moins droite de la chaîne, de son usure, de sa propreté et de sa lubrification. En pratique, on note des pertes entre
1% et 5%, ce qui correspond donc à un rendement de 95% à 99%.
Les pertes d’une transmission avec le moyeu Rohloff SPEEDHUB 500/14 résultent elles des frottements des
roulements de pédalier, de la chaîne et de la boîte de vitesse. En ce qui concerne la chaîne, son fonctionnement se fait
en permanence sur une ligne optimale à partir du grand plateau. Les tensions sur la chaîne et donc les frottements qui
en découlent sont réduits. En fonction du rapport enclenché, les principales forces de frottement sont alors
engendrées par les frottements internes des rouages, lesquels oscillent aussi entre 1% et 5%. Le rendement est donc
aussi de 95% à 99%.

[XK150]

J'ai en tête un rendement de 97% pour UN train épicycloïdal de bonne qualité dans les boîtes automatiques par exemple .
Vouloir améliorer cette valeur va conduire à des coûts exponentiels à l'usinage .

Est ce bien raisonnable de chercher à améliorer pour un vélo ? Qui sera prêt à payer ?
Il existe déjà et il a existé de telles boîtes pour les vélos .

[XK150]

https://www.cyclable.com/blog/2019/1...es-comparatif/

[antek]

Qui sera prêt à payer ?

J'avoue que je me tâterais pour pouvoir m'émerveiller devant un chef-d'œuvre de la mécanique !
Mais j'aime pas le vélo, alors je me contente de la boîte à vitesse de perceuses d'une marque très connue. Hélas . . .

[Gwinver]

Est ce bien raisonnable de chercher à améliorer pour un vélo ? Qui sera prêt à payer ?

Bonne question, mais il faut voir ce que les adeptes du vélo acceptent de payer.

[Gwinver]

Pour répondre à la demande initiale :

Dans le cadre d'un projet perso, je réfléchie à des concepts/architectures de boîte de vitesses pour vélo (musculaire), qui permettraient d'avoir un rendement élevé.

Il existe une transmission par cardan avec un système limitant les pertes de rendement liées aux engrenages classiques.

https://www.santafixie.fr/blogfr/la-...st-presque-ici

[XK150]

Bonne question, mais il faut voir ce que les adeptes du vélo acceptent de payer.

Jusqu'où ? 1000 Euros pour gagner 1% de rendement ( théorique , sur la pub ) ??
Déjà , vouloir faire aussi bien que Shimano ( cité au hasard ) au même prix , serait un bon défi ...

[XK150]

Je pense que tout ce qui est efficace et fiable se retrouve sur les vélos haute compétition , genre Tour de France . Le reste ...

[Gwinver]

Actuellement, la Rohloff Speedhub 14-G (c'est du haut de gamme) se trouve à un peu plus que 1000€.

Il y a bien d'autres usages que le vélo de compétition, ce qui justifie des systèmes différents, éventuellement avec un rendement un peu moindre, et un surplus de poids.
Une boîte de vitesse présente l'intérêt d'une plus grande fiabilité, de la simplicité d'entretien et moins d'usure. C'est essentiel, par exemple, pour le vélo de randonnée.

[trebor]

Pour répondre à la demande initiale :



Il existe une transmission par cardan avec un système limitant les pertes de rendement liées aux engrenages classiques.

https://www.santafixie.fr/blogfr/la-...st-presque-ici

Meilleure rendement avec un poids moindre du vélo, cela sera confirmé lorsque les pros du sport à vélo utiliseront ce système à cardan sans chaîne et dérailleur.
J'ai un doute pour le poids de la roue arrière sur son efficacité avec cet énorme pignon, non encore pourvue du disque de frein.

[Gwinver]

Meilleure rendement avec un poids moindre du vélo, cela sera confirmé lorsque les pros du sport à vélo utiliseront ce système à cardan sans chaîne et dérailleur.

Il y a bien des équipements répandus dans le monde du vélo et que les pros du sport n'utilisent pas.
Il y a bien sûr les boîtes de vitesse, sujet de ce topic, il y a aussi les dynamos dans le moyeux, tous les systèmes de bagages, les modes d'éclairage, les moteurs électriques fixes ou amovibles, les garde boues, etc. .. etc. ...

Il y a même des équipements qui n'ont été utilisé par les pros qu'après une certaine durée de présence sur le marché, comme les freins à disque par exemple.

[SIMEARTH]

Merci à tous pour les contributions,

@XK150 :
Rendement "élevé" ce serait entre 99 et 99.5% par étage de train épicycloïdal. Donc avoir idéalement un rendement global d'environ 98% en sortie de boîte par exemple (en mettant 2 ou 3 trains en série). pour une puissance de 250W par exemple.
Les avantages des trains épicycloïdaux étant notamment :
- Rendement global du train épicycloïdal meilleur (dans certaines configuration) que le rendement simple des engrènements qui le composent (engrènement planétaire-satellite et engrènement satellite-couronne)
- Possibilité de "prise directe" des entrées/sorties. Ce qui fait que si on a 2 trains (de 99% chacun) en série, pour une partie des rapports un des trains sera en prise direct donc le rendement global sera 99%, dont un des rapports proche de 100% puisque en prise direct sur les 2 trains.
- Encombrement restreint et coaxialité des entrées/sorties
- Pas de charge radiale sur l'axe principal

Sur le marché du cycle, oui les boîtes de vitesses existent déjà. Il y a 2 catégories : les moyeux arrières (trains épi) et les boîtes de vitesses au pédalier.
Les moyeux arrières existent depuis des décennies et en grand nombre. Quelques exemples de moyeux actuels :
- Nexus de Shimano (très répandus, bon marché, mais rendement "moyen" (autour de 90-93%))
- Rolhoff 500/14 (14 vitesses, fiable et robuste (existe depuis plus de 30 ans, certains ont plus de 200 ou 300 milliers de km au compteur). Plus de 1000€ à l'achat mais à relativiser avec la longévité du produit et la maintenance quasi-inexistante. A ma connaissance c'est la référence, en terme de boîte de vitesse, avec un des meilleurs rendements du marché (98,5% de moyenne selon le constructeur ; 97,5% selon une étude indépendante). Inconvénient : poids et surplus de masse sur la roue arrière (pas idéal pour la pratique vtt et pour les suspensions arrières).
- Powershift Hub de Classified Cycles. (Sorti sur le marché il y a une paire d'années ; Moyeu 2 vitesses (prévu pour remplacer un dérailleur avant) ; avec la particularité d'avoir un rendement supérieur à 99%). Prévu pour une pratique route/gravel. Haut de gamme (plus de 1000€). (Note technique intéressante communiquée par les ingénieurs de la marque pour justifier leur valeur de rendement : https://acrobat.adobe.com/id/urn:aai...group-discover). C'est eux et leur note qui m'ont fait réaliser récemment qu'un train épicycloïdal pouvait monter très haut en rendement et qui m'ont donné envie de réfléchir sur le sujet.

Les boîtes de vitesses sur boîtier de pédalier existent aussi sur le marché depuis une grosse dizaine d'années. 2 marques qui en commercialisent à ma connaissance : Pinion (Allemand) et Effigear (Français). Pareil, il faut compter 1000€ mini. Plus destiné au vtt, mais aussi au vélo urbain, etc... Ces boîtes de vitesses fonctionnent avec 2 trains classiques d'engrenage en série. Leur rendement serait autour de 93-95%, et en moyenne c'est aussi un surplus de masse de 1 petit kg sur le vélo. Elles amènent pas mal d'avantages, notamment en vtt (centrage des masses, suppression des dérailleur/cassette, ligne de chaine droite, maintenance facile,...), mais elles sont encore loin de faire l'unanimité ; le surpoids et le rendement "moyen" étant souvent mis en cause.

Toutes les valeurs de rendement que je mentionne ci-dessus correspondent à un rendement interne à la boîte de vitesses ; la transmission externe (pignon-chaine-plateau) qui est forcément là quoi qu'il en soit, n'est pas prise en compte (en général une chaine bien alignée, en "singlespeed" est en moyenne à 97% de rendement (pour 250W), et peu atteindre 98,5% dans des conditions optimales.

Un lien sur une étude comparative des rendements, pour info :
https://www.cyclingabout.com/speed-d...arbox-systems/

[SIMEARTH]

Est ce bien raisonnable de chercher à améliorer pour un vélo ? Qui sera prêt à payer ?
Il existe déjà et il a existé de telles boîtes pour les vélos .

@XK150:
Tout dépend du prix, mais si on reste sur des ordres de grandeurs de 1000€, je pense que c'est vendable. Le Rolhoff s'est vendu en plus de 400 000 exemplaire pour l'instant par exemple.

Le monde du vélo est cher, avec des prix de plus en plus exorbitants, mais quand vous pratiquez régulièrement, mettre 3000/4000 € dans un vélo (route ou vtt), c'est quelque chose de quasi-normal.

Oui il existe déjà des boîtes sur le marché mais la proposition n'est pas assez diversifiée à mon goût, notamment dans le domaine du vtt (seulement 2 marques / 2 modèles de boîtes sur le pédalier), je pense qu'il y a encore plein de chose à faire (amélioration rendement, poids, diversifier la proposition, etc...)

Après en ce qui me concerne je n'ai pas dit que mon but principal était de révolutionner le marché du cycle/vtt ; c'est juste un sujet qui m'intéresse et j'ai envie de prospecter/réfléchir sur ces questions technique là (Est-ce que le moyeu Rolhoff est vraiment le graal absolu en terme de rendement, ou aurait-il pu être encore meilleur ? Si oui en agissant sur quoi ? Y a-t-il des solutions pour intégrer une architecture de moyeu Rolohoff sur un boîtier de pédalier (idéale pour une pratique vtt)? ou y a-t-il des impossibilité techniques? ; Les boîtes Pinion et Effigear (boîtes 2 axes, avec trains d'engrenages classiques) sont-elles limitées en rendement, par nature? ou y a-t-il en fait des possibilités d'amélioration ? Même question en terme de masse...)), etc...

[SIMEARTH]

Bonjour,
Avant de juger si pertinent ..ou pas, je commencerais par visiter ces plateformes !
Il vaut mieux éviter les "à priori"! On juge...sur piéces, pas au doigt levé.
Cordialement

@Bibifikotin :
J'avoue ne pas trop comprendre la remarque.
Je les ai visité ; mais la plupart du temps on me demande de m'inscrire et de payer pour accéder au contenus.. D'où ma question de savoir s'il y avait des plateformes à privilégier pour rechercher des articles scientifiques en ligne (?).

[SIMEARTH]

l existe une transmission par cardan avec un système limitant les pertes de rendement liées aux engrenages classiques.

@Gwinver :
Je suis toujours favorable aux innovations même quand ça parait un peu fou aux premiers abords ; mais là leur solution je n'y crois pas. ça fait déjà un paquet d'années qu'on en entend parler de ce prototype, ça n'évolue pas vraiment. C'est volumineux, ça ne peut pas prendre la moindre poussière donc il faudra un cratérisation étanche autour de toute la cassette etc... mais bon c'est très bien si certains croient en cette voie là et essayent...