Contribution à la modélisation quasi-statique des transmissions par chaînes pour l'optimisation du rendement : Application au cyclisme sur piste

Contribution to roller chain drive quasi-static modelling for efficiency optimisation : Application to track cycling

• Auteur / Autrice : Gabriel Lanaspeze
• Direction : Fabrice Ville, Bérengère Guilbert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 29/09/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : SMC - Systèmes Mécaniques et Contacts
• Jury : Président / Présidente : Marie-Christine Baietto
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Ville, Bérengère Guilbert, Marie-Christine Baietto, Stuart Burgess, Franck Renaud, Christophe Clanet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stuart Burgess, Franck Renaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optimisation des structures

Chaînes de bicyclettes

Transmission par chaîne

Mots clés libres

Mécanique

Transmission mécanique

Chaine à rouleaux

Cinématique

Modèle de tension

Géométrie

Perte de puissance

Rendement

Dentures

Mechanics

Mechanical transmission

Roller chain

Kinematics

Tension model

Geometry

Power losses

Efficiency

Teeth

Résumé

L’importante compétition entre cyclistes sur piste de très haut niveau pousse les travaux de recherches à explorer toutes les possibilités d’optimisations. Dans ce contexte, le rendement énergétique des transmissions par chaine à rouleaux est étudié dans le but d’améliorer la compréhension des puissances dissipées et d’en déduire des possibilités d’optimisations. Dans les transmissions par chaine, les pertes sont majoritairement causées par l’engrènement/dégrènement des maillons sur les pignons. Toutefois, une étude préliminaire a montré que les pertes dues au mouvement des rouleaux le long de leur profil de dent ont une influence significative. Le but de ce travail est donc d’explorer ce phénomène. Un modèle 2D quasi-statique est tout d’abord présenté. La cinématique générale (comprenant les erreurs de transmission) est déterminée en utilisant des sous-modèles spécifiques aux brins tendu et mou. Un modèle local de pignon est ensuite introduit afin de calculer les tensions dans les maillons ainsi que les forces de contact entre rouleaux et pignons. Le modèle peut être utilisé avec différentes géométries de denture. Après un processus de validation, le modèle quasi-statique est utilisé pour étudier l’influence du profil de denture sur les évolutions corrélées des charges et des positions de rouleaux. Des différences significatives sont observées. L’application du modèle à une transmission de cyclisme sur piste montre que des géométries de denture dédiées sont indispensables pour faire face aux contraintes spécifiques induites par cette utilisation. Un second modèle est ensuite proposé. En se basant sur les résultats du modèle quasi-statique, il calcule le rendement d’une transmission en prenant en compte les pertes causées par l’engrènement ainsi que les mouvements de rouleaux. Des comparaisons avec des résultats expérimentaux sont menées pour valider l’approche proposée. Le modèle de rendement est ensuite utilisé pour mener une étude paramétrique sur des transmissions par chaines de cyclisme sur piste. L’influence de plusieurs paramètres est explorée : géométrie de denture, couple appliqué, réglage de la tension, nombres de dent des pignons, pas de la chaine et coefficient de frottement. Les interactions entre paramètres sont identifiées. En se basant sur les résultats, des lignes directrices pour de futures optimisations sont proposées.

The intense competition between high-level athletes in track cycling requires research in order to make optimisation possible. In this context, the energetic efficiency of roller chain drives is studied to improve understanding of loss sources and propose paths of optimisation. Losses in chain drives are known to be mostly caused by the meshing/un-meshing process of chain links on the sprockets. However, a preliminary study shows that losses caused by the motion of rollers along their associated tooth profile have a significant influence. The aim of this work is therefore to explore this phenomenon. First, an original 2D quasi static model of a two-sprocket drive is presented. The global drive kinematics (including transmission error) is determined using specific sub-models for the tight and slack strands. A local sprocket sub-model is then introduced to calculate link tension, roller/sprocket contact force and roller location. This model can be used for different tooth profile geometries. Following a specific validation process, the quasi-static model is used to explore the influence of tooth profile geometry on the interdependent evolutions of loads and roller location. Significant differences are reported. Its application to typical a track cycling drive shows that the specific constraints involved can only be overcome by dedicated tooth profiles. A second model is then presented. Based on the results provided by the quasi-static model, it calculates drive efficiency, considering the losses caused by meshing and roller motion. Comparisons with experimental measurements are carried out to validate the approach proposed. The efficiency model is then used to conduct a parametric study on track cycling roller chain drives. The influences of tooth profile geometry, applied torque, tension setting, number of sprocket teeth, chain pitch and friction coefficient are assessed and interactions between parameters identified. Based on the results, guidelines for future optimisations are given.