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Un exemple simple pour comprendre le principe de la roue à ressort

(dispositif ouvrant la perspective d'un nouveau type de freinage pour les véhicules lourds)

Avec 41% du CO2 émis, les transports sont un acteur majeur du changement climatique. Ce domaine d'activité agrège aussi 10% du PIB européen. Cela explique pourquoi nos gouvernants sont si réticents à prendre des mesures autoritaires, qui pourraient avoir pour résultat de réduire les profits du secteur. Pourtant, si on était intelligents en Europe, les grands acteurs de l'automobile pourraient envisager de mettre en commun leurs forces pour prendre un tout autre chemin.

De quoi s'agirait-il ? D'abandonner les bases actuelles de la concurrence automobile, qui sont celles d'une course à la puissance, à la taille, et aux équipements, pour se focaliser sur l'objectif prioritaire de minimiser l'énergie consacrée au mouvement, et ce, quelle que soit cette énergie. Voici cette idée, que les constructeurs pourraient partager, et que les pouvoir publics pourraient accompagner, en faisant évoluer la règlementation pour tout ce qui roule en Europe. Il s'agirait de stocker mécaniquement l'énergie du mouvement directement dans des ressorts enfermés dans les roues des véhicules, et en tout premier lieu dans les roues des véhicules lourds.(0)

un principe simple

Imaginez que vous tenez fermement le barillet d’un ressort de montre de la main gauche, et que vous en remontez la clé continuellement de la main droite. Précision : il n'y a aucun cliquet sur ce ressort pour l'empêcher de se détendre, et vos 2 mains tournent librement sur vos poignets, comme des mains de robots, si bien que vous pouvez exercer sur la clé un mouvement de rotation continu.

Eclaté d'un barillet : generaleressorts.com

Au bout d’un certain nombre de tours de clé, vous sentiriez une force de résistance : votre main gauche lutterait pour s’opposer au mouvement de rotation du barillet, qui voudrait tourner dans le même sens que celui où vous tournez la clé, tandis que du côté de votre main droite, vous sentiriez au contraire de plus en plus de résistance pour tourner la clé : votre main droite ressentirait alors le freinage sur l’essieu. Et ce freinage, vous le sentiriez, même si de votre main gauche vous faisiez aussi tourner le barillet dans le même sens, du moment qu'il tournerait moins vite que la clé.

Et si, en arrêtant de tourner la clé de votre main droite, ou même en continuant de la faire tourner (situation d’un véhicule qui roule), vous relâchez la pression de votre main gauche, alors le barillet entraîné par le ressort entrera en rotation dans votre main gauche plus rapidement que la clé, et ce mouvement accéléré perdurera jusqu'à ce que la clé et le barillet retrouvent la même vitesse de rotation : jusqu'à la vitesse nulle, si la clé est immobile, ou jusqu'à la vitesse de rotation de la clé, si la clé tourne.(0)

Si enfin, on vient souder à la tige de cette clé qui traverse le barillet de part en part, deux flancs surmontés d’une jante et d’un pneu, enfermant le barillet à l’intérieur, ce dernier si on l’a doté de dents sur sa périphérie, pourra s’engrener sur cette jante et l'entraîner dans le sens où tourne la clé. A condition toutefois que ces dents soient escamotables(2), car pour être ralenti, ce barillet doit pouvoir "rouler" sur la jante à une vitesse de rotation moindre. Or on ne peut plus l'atteindre pour le freiner comme on le faisait avec la main gauche, puisqu'on l'a enfermé à l'intérieur de la roue ! On doit donc provoquer ce ralentissement depuis l'extérieur, en approchant un aimant puissant de sa circonférence(1).

Cette roue ainsi agencée, à chaque fois que la vitesse relative du barillet diminuera par rapport à la vitesse de rotation de la roue, le ressort stockera de l'énergie cinétique et freinera le véhicule, tant qu'il reste du ressort à enrouler. Il ne doit cependant pas arriver brutalement en butée, car cela risquerait de le détruire. Pour éviter cela, il faut qu'un freinage traditionnel direct sur l'essieu (un frein à tambour traditionnel), prenne progressivemement le relais un peu avant que le ressort n'arrive en bout de course(3), de sorte à éviter que la roue ne tourne plus vite que le barillet à ce moment précis(5), et ainsi, on stockera tout de même un maximum d'énergie cinétique.

D'où l'intérêt de faire ces roues d'un grand diamètre, premièrement pour allonger la longueur de ressort et donc la distance de freinage "stockant"; et deuxièmement parce qu'une roue plus grande ayant la propriété de tourner moins vite qu'une petite à vitesse égale, cela diminuera le problème d'équilibrage de la roue, lié aux différents niveaux d'enroulement du ressort.(4)

Voir en grand dans un nouvel onglet.

De telles roues ainsi agencées seraient donc particulièrement adaptées aux poids lourds et aux autocars, qui gaspillent énormément d'énergie cinétique dès qu'ils sortent de l'autoroute, et qu'ils sont confrontés aux ronds-points ou aux feux rouges. Une seule de ces roues à ressort, d'après les calculs de ChatGPT (voir ci-dessous) pourrait stocker 85% de l'énergie cinétique d'un poids lourd de 44 tonnes, en le faisant passer de 20 km/h à 0km/h.

Et donc deux de ces roues pourraient stocker deux fois cette quantité d'énergie cinétique, ou bien stocker la même quantité en enroulant 2 fois moins de ressort sur chaque roue. Le camion pourrait alors redémarrer depuis l'arrêt ou réaccélérer après un freinage ponctuel, sans consacrer plus de 15% de l'énergie du moteur utilisée auparavant(6). Mais si on ne souhaite pas stocker ou restituer le maximum d'énergie (7), alors le contrôleur électronique règlera finement le déséquilibre entre le frein magnétique et le frein direct sur l'essieu, pour stocker ou libérer la juste quantité en fonction des situations.

Enfin le sens d'enroulement des ressorts n'empêcherait pas l'aide à la marche arrière comme on pourrait le penser (bien que peu utilisée voire interdite sur les camions et les bus). En reprenant notre exemple de départ, si vous maintenez immobile le barillet dans votre main gauche, et que, ressort chargé, vous relâchez complètement la clé de votre main droite, alors le ressort va se détendre et entraîner la tige de la clé en sens inverse. Il en sera de même pour l'essieu, si ressort chargé, on maintient le frein magnétique sur le barillet tout en relâchant complètement le frein direct sur l'essieu, car dans ce cas de figure, ce n'est pas le barillet qui entraîne la roue, mais les flancs de la roue solidaires de la jante.
Autres avantage de ce type de poid-lourd rhomboïde équipés de ce système de freinage :

- Le stockage d'énergie mécanique - sans conversion et sans renvois d'angles - limite les pertes.

- le stockage mécanique est compatible avec tous les types de motorisations. Actuellement seules les véhicules électriques bénéficient de la récupération d'énergie, tous les autres systèmes sont restés au stade de l'expérimentation.

- Le stockage mécanique est simple, il ne nécessite aucun moteur supplémentaire. Il serait donc moins cher à implémenter que les autres systèmes non électriques, tels que les volants d'inertie, ou les systèmes d'assistance hydraulique.

- Les petites roues motrices (au centre longitudunal), nécessitent moins de couple pour la mise en mouvement (bras de levier plus court) => moins de perte par réduction, dans l'hypothèse d'une motorisation électrique.

- Meilleure aérodynamique : en l'absence de vent un véhicule rhomboïde (pointu, avec ses roues en losange) est plus aérodynamique. Par vent de travers - considérant que 25% à 35% de trajets des poids-lourds se font à vide - ils gagneraient à ouvrir leurs volumes de stockage pour que le vent circule au travers. Cela éviterait de gaspiller l'énergie du moteur qui dans ces conditions, lutte contre une force divergeante de la direction à suivre.

- Modularité : le chargement latéral facilite l'embarquement et l'échange de modules spécialisés : module habitacle pour passagers , modules réfrigérés, modules citernes, ou modules de transports d'animaux. Cela limiterait les transports à vide (sorte de covoiturage pour marchandises et passagers)

- Sécurité : Un véhicule rhomboïde (pointu) a moins de chance de percuter frontalement un véhicule rectangulaire, et encore moins de percuter frontalement un autre véhicule rhomboïde. En cas de collision, le choc aurait toujours lieu par un des côtés, n'entraînant pas une chutte brutale de la vitesse, presque toujours mortelle. Cette observation vaut aussi pour les collisions entre véhicule rhomboïde et vélos, piétons, trotinettes.

- Economie : l'introduction de nouvelles règlementations et de nouvelles normes écologiques européennes pour les transports permettrait de recentrer la vente de véhicules européens sur le marché européen.

Inconnues & questions :

- combien de fois un ressort de montre peut-il se tendre et se détendre, sans subir de déformation. Cette usure est-elle prévisible ? (certainement oui, elle est même certainement mesurable en temps réel => adaptation du contrôle de freinage)

- les roues sont souvent remplacées sur les poids lourds, suite à des problèmes de pneumatiques. Des roues à ressorts plus grandes et plus lourdes, seraient-elles aussi facilement interchangeables ?

- L'équilibrage des roues : à partir de combien de trs/mn l'équilibrage pose-t-il un problème ? On peut supposer que les situation de ces roues à "ressort tendu" auraient lieu très majoritairement à des vitesses faibles. (peu de freinage, et restitution immédiate sur l'autoroute). L'équilibrage de ces roues à ressort devrait donc être effectué ressort détendu.

- La manipulation des aimants néodyme et des ressorts peut être dangereuse, et doit donc faire l'objet de précautions particulières.

- Franchissement des creux et des bosses : il doit être possible d'introduire quelques degrés de souplesse longitudinale sur chaque demi-ensemble [roue à ressort - compartiment de chargement] par une articulation au centre longitudinal. Le reste de ce qui est nécessaire serait assuré par les suspensions des grandes roues. Cela nécessiterait qu'on installe un guignol de direction sur chaque demi-ensemble.

- application aux groses voitures : à partir de quel diamètre de roue cela deviendrait aussi intéressant pour des voitures ?

- ce projet reste-t-il intéressant dans un monde où l'énergie est infinie (imminence de la fusion nucléaire) ?

Vincent de Blois le 13 12 2024, modifié le 23 1 2025.

(0) avantages du ressort sur les autres technologies de stockage : pas de renvoi d'angle, pas de conversion, fabrication en acier, bon marché, aux propriétés connues.
(1)Les ondes magnétiques doivent porter uniquement sur le barillet. Les parties métalliques du pneu doivent être remplacées par un autre matériau
(2)roue libre comme sur les vélos, mais sur la périphérie du barillet, permettant de ralentir sa rotation par rapport à celle de la roue.
(3)L'intensité de ce freinage complémentaire ne sera pas la même, si ce ressort arrive en bout de course à 15 ou à 70 km/h, ou si le chargement est de 2 ou de 20 tonnes. Par contre, la résistance du ressort est connue, et donc ce freinage complémentaire peut être réglé par l'électronique
(4)l'entraînement de la roue par le ressort se faisant par la périphérie du barillet, un grand diamètre ne doit pas faire peur pour la restitution de l'énergie.

(5) Cette disposition correspond à une situation où le ressort n'a pas pour but de stopper totalement le véhicule (freinage ponctuel sur autoroute par exemple)

(6) On pourrait aussi imaginer une roue à ressort dans un sens à l'avant, et une autre en sens inverse à l'arrière, chacune débrayable par le contrôleur en fonction du sens de la marche. On aurait ainsi un stockage possible dans les deux sens, ce qui éviterait les demi-tours, toujours problématiques pour les poids-lourds.

(7) Pour ne pas faire patiner la roue sur la neige, par exemple, la quantité de freinage magnétique devra être légèrement inférieure à la quantité du freinage sur le tambour, pour ne pas reçevoir les 100% de puissance du ressort chargé...tous ces dosages doivent pouvoir être facilement intégrés au contrôleur (ASP)

complément le 29 12 2024

Bonjour Chat. S'il te plait fais moi un calcul.

Les ressorts de montre comme tu sais, pourraient être utilisés pour stocker l'énergie cinétique des poids lourds. En freinant et en emmagasinant l'énergie cinétique dans un ressort de ce type, ils pourraient ensuite redémarrer sans énergie.

Peux tu me donner les autres caractéristiques (épaisseur et largeur) d'un ressort en acier dont le diamètre de la dernière sbire ferait 3m de diamètre pour stocker un maximum de l'énergie cinétique d'un camion de 44 tonnes entre sa vitesse de départ de 20km/h et sa vitesse d'arrivée 0km/h.

Une fois ces caractéristiques trouvées, tu me donneras aussi le %tage de l'énergie cinétique qui aura été stockée dans le ressort. Le détail du calcul ne m'importe que dans les grandes lignes, c'est surtout le résultat qui m'intéresse.

Réponse de ChatGPT 4o :

ChatGPT
Pour résoudre ce problème, nous allons déterminer les caractéristiques d'un ressort qui peut stocker l'énergie cinétique d'un camion de 44 tonnes (44 000 kg) lorsqu'il ralentit de 20 km/h à 0 km/h, et calculer l'efficacité de ce stockage.

Étape 1 : Calcul de l'énergie cinétique initiale du camion
L'énergie cinétique est donnée par la formule :
(...)

≈680,250Joules

Étape 2 : Formule de l'énergie stockée dans un ressort
L'énergie stockée dans un ressort est donnée par :

(...)

Étape 3 : Relations géométriques et caractéristiques du ressort
Un ressort spiralé en acier peut être caractérisé par :

(...)

et l'énergie stockée dépend du moment d'inertie de la section transversale :

(...)

Étape 4 : Calcul des dimensions
Pour stocker

45m (suffisant pour 10 tours d’une spirale de diamètre extérieur 3 m).

(...)

Étape 5 : Calcul de l'efficacité
La capacité de stockage réelle dépend des pertes mécaniques (frottements, déformations plastiques). En général :

(...)

Les ressorts spiralés peuvent stocker environ 85–90 % de l'énergie cinétique, selon les conditions.

Résultats :

Dimensions du ressort :
longueur 45m
largeur : 20cm
épaisseur 1cm

Pourcentage de l'énergie cinétique stockée :

85% (environ).

Ce ressort spiralé serait capable de ralentir un camion de 44 tonnes de 20 km/h à l'arrêt tout en stockant une partie significative de son énergie cinétique.

(...) Ma réponse : j'espère que ton estimation est exacte, car les 45m correspondent plutôt à 5 sbires (5x9) plutôt que 10. J'ai une question complémentaire :

comme nous en avons parlé, je compte ralentir le tambour dans lequel se trouve ce ressort (- assujetti par l'une de ses extrêmité au périmètre intérieur de ce tambour, et par l'autre à une partie solidaire de l'essieu -) à l'aide d'un aimant puissant au neodyme, dont les ondes traverseraient le pneu et la jante.

Il est donc probable qu'en faisant cela, l'effet de aimant ne porterait pas seulement sur la partie extérieure métallique du tambour, mais aussi sur les sbires du ressort à son intérieur, qui auraient plus de difficulté à se décoller du fait de l'aimant. Qu'en pense-tu ? y-a-t-il un calcul supplémentaire à faire, compte tenu de cette observation ?

ChatGPT :Votre solution de revêtir l'intérieur du tambour d'un matériau anti-magnétique est effectivement élégante et pratique. Cela permettrait de neutraliser l'interaction magnétique entre l'aimant et les spires du ressort, tout en conservant une conception mécanique simple et efficace.

Voici quelques réflexions et ajustements en fonction de vos remarques :

1. Neutraliser l'effet magnétique avec un revêtement
Revêtir l'intérieur du tambour d'un matériau non magnétique ou anti-magnétique, comme :

Aluminium ou cuivre : Non magnétiques et faciles à travailler.
Mu-métal : Spécifiquement conçu pour dévier les champs magnétiques (mais coûteux et peut nécessiter un entretien dans un environnement robuste).
Acier inoxydable austénitique (316L) : Largement disponible et faiblement magnétique.
Ce revêtement empêcherait l’aimant de perturber les spires du ressort, en concentrant l'effet magnétique sur le tambour extérieur.

2. Profiter de l'effet magnétique pour un freinage ajustable
Si vous décidiez de tirer parti de l'effet magnétique (bien que cela complique la conception), voici quelques idées :

Ajouter un masque mobile autour de l'aimant, composé d'un matériau isolant magnétique, pour ajuster son effet sur une portion précise du tambour.
Concevoir un système de freinage proportionnel : en ajustant l'exposition de l'aimant, vous pourriez régler le freinage en fonction des besoins (par exemple, plus fort à faible vitesse pour récupérer un maximum d'énergie).
Cependant, comme vous le notez, cela semble une complication inutile dans votre cas, surtout si le ressort est déjà capable d'absorber toute l'énergie cinétique.

3. Augmentation de la largeur du ressort à 30 cm
Si vous souhaitez augmenter la capacité de stockage du ressort, l'augmentation de sa largeur
𝑤 w à 30 cm est une excellente idée. L'énergie stockée par le ressort dépend directement de 𝑤 w, car le moment d'inertie 𝐼 ∝ 𝑤 ⋅ 𝑒 3 I∝w⋅e 3 . Avec 𝑤 = 30 cm
w=30cm, voici une estimation mise à jour des caractéristiques du ressort :
Épaisseur ( 𝑒 e) : Toujours 1 cm 1cm.
Largeur ( 𝑤 w) : 30 cm 30cm.
Longueur ( 𝐿 L) : Inchangée ( ∼ 45 m ∼45m, 5 tours sur un tambour de diamètre 3 m). Énergie stockée : Augmentée proportionnellement de
50 % 50%, passant d'environ 680,250 J à 1,020,375 J.

Cela serait suffisant pour absorber l'énergie cinétique d'un camion à vitesse légèrement plus élevée ou pour offrir une marge supplémentaire de sécurité. 4. Conclusion et recommandation

La solution de neutralisation magnétique via un revêtement interne du tambour est simple, efficace et évite les complications inutiles. En augmentant la largeur du ressort à 30 cm, vous obtenez également une capacité énergétique accrue sans compromettre la mécanique. Il serait judicieux de tester cette configuration avant d’explorer des options plus complexes comme l'ajustement de l'effet magnétique pour le freinage.

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Avec plaisir ! N'hésitez pas à revenir si vous avez d'autres questions ou idées à explorer. Bonne chance avec votre projet fascinant !

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