Réaliser un kit d'Assistance Electrique pour son Vélo

1 - Les motivations 

2 - Les caractéristiques

3 - Le concept 

            Le concept est simple, on entraîne le plus grand pignon de la roue libre arrière par l'intermédiaire d'une chaine supplémentaire. Deux vitesses sont supprimées pour éviter une collision entre les chaines par une modification de  réglage des butées du dérailleur
 L'intégration n'a pas nécessitée de modification des pièces d'origine du vélo.

4 - La préparation

    Le choix des composants primaires:
A - Le moteur, c'est le plus important. Il faut un moteur qui à un certain couple et qui fonctionne de préférence en 24V ou 36V. Les moteurs électriques d'origine automobile ne sont pas très adaptés (moto-ventilateur par exemple). Ils accusent souvent des rendements au nominal faible de l'ordre de 60% et fonctionnent souvent en 12V ce qui implique des courants très élevés.

Les moteurs électriques de trottinettes ou autres capables de fournir 150 watts nominaux et en continu peuvent constituer une bonne base. Le moteur que j'ai utilisé est exotique, ne le cherchez pas dans le commerce ! C'est un prototype presque neuf qu'un collègue m'a fourni en échange d'une bonne bière !
Il a les performances suivantes en 24V: couple bloqué 4,4 N.m, I (bloqué) 40A, N à vide 2140 Tr/min, Puissance max 250 watts, Puissance (nominal) 150 Watts à 1720 tr/min et pèse 1,9 Kg.

La connaissance d'un minimum de caractéristiques du moteur est impérative, elle conditionne le résultat final et permet de calculer certains paramètres.
- la réduction se calcule en fonction des performances du moteur, du parcours et de l'effort souhaité. Concernant ce vélo, il est destiné à un parcours relativement plat à une vitesse de 25 km/h sans fournir d'effort particulier. Dans ce cas de figure, mon moteur devra fournir environ 150 watt à 25 Km/h.
La puissance nominale est obtenue à environ 80% de la vitesse rotation du moteur à vide.
Dans ces conditions, mon moteur doit fonctionner à sa puissance nominale à 25 km/h.
La vitesse de rotation de la roue du vélo est donné par la formule suivante N=V/3,6/Rp/0,0254/3,14*60, avec :

• N: vitesse de rotation de la roue en tours/minute
  
• V: vitesse en Km/h (25)
  
• Rp: diamètre de la roue en pouces (28)
  
• Ici N=186 tours/minutes pour V=25 Km/h et les roues en 28 pouces.

Le rapport de réduction idéal serait donc R=1720/186= 9,2.

B - La roue libre issue d'une roue dont je dispose ne va pas me permettre d'atteindre cette réduction, toutefois, je peux atteindre un rapport de réduction de 8 en réalisant un pignon moteur de 7 dents (c'est le minimum de dents recommandable !)
Voici la courbe puissance-rendement par rapport à la  vitesse obtenue avec ce rapport de réduction.
 

5 - La réalisation  (partie mécanique)
Les pièces:

• Un moteur donc on connait les caractéristiques
  
• Un moyeu de roue arrière équipé de sa roue libre (14-28) pour la réduction intermédiaire
  
• Une chaine de vélo standard
  
• Un peu de contre-plaqué de 8mm, quelques boulons, vis et rondelles.
  
• Le câblage d'un moteur avec un relais et deux diodes (le miens provient d'un câblage automobile de moto-ventilateur)
  
• Une paire de sacoches

A -  Je conseille de commencer par ce qui vous parait le plus difficile. Dans mon cas, c’était la réalisation du pignon-moteur de 7 dents dont voici les caractéristiques:
et le plan  
La découpe du pignon à été réalisé dans un morceau de plaque d'acier de bonne qualité (S500MC dans mon cas) de 2mm d'épaisseur. (Un bout de tôle de siège de voiture)
On commence par percer le diamètre de l'arbre moteur (12mm, c'est le diamètre de mon arbre moteur)

• puis, la plaque à été fixée sur le moteur
  
• le centrage du masque (mon plan échelle 1 imprimé, découpé, et scotché) de perçage à été vérifié en branchant le moteur sur une tension réduite 12V
  
• Le moteur est ensuite fixé sur le support à colonne de ma mini-perçeuse.
  
• J'effectue alors les 7 pré-perçage en diamètre 2
  
• puis sur une perçeuse à colonne plus grosse, en diamètre 6, puis 7,5 mm.
  
• Après démontage de la plaque, la découpe des parties restantes s'effectue au disque avec la mini-perçeuse.
  
• finalement, il faut meuler le diamètre extérieur et chanfreiner les dents avant la dépose du pignon fixé sur le moteur
  
• La correction du pignon finale se fait par rapport à un double mon plan de pignon échelle 1 en corrigeant progressivement la position et la forme des dents en meulant à la mini perceuse ou à la lime.

Une fois le contour du pignon terminé, il reste le blocage en rotation du pignon sur l'arbre moteur. Un perçage de diamètre de 3,2 à cheval entre l'axe moteur et le pignon a permis la réalisation du logement pour la goupille. Elle est réalisée dans un bout d'axe de 3,2 (issue d'un bout de queue d'un de mes outils de la mini-perçeuse HS.
Voila, une partie importante réalisé... le moteur est maintenant équipé de son pignon.

B - Passons maintenant à la roue libre; Celle-ci va jouer le rôle d'arbre intermédiaire en réalisant au passage une démultiplication de deux fois. Elle doit néanmoins être modifiée.
Le démontage de la roue libre doit être possible par dévissage du pas à gauche (il faut tourner à l'envers) de la cage de roulement.
Il faut nettoyer tous les éléments et retirer les "cliquets" ainsi le ressort qui les maintenait. Le jeu axial peut être réduit en changeant une rondelle (cale) d'épaisseur.
Puis on effectue un re-graissage, une repose des billes dans la graisse et un remontage.
 
Le support de la roue libre sera le moyeu d'origine de la roue arrière coupé en deux pour ne conserver que la partie support coté roue libre. Certains trous de rayon (1 sur 3) doivent être repercés puis taraudés en M4. La fixation de la roue libre sera ainsi renforcée par quelques vis en M4 avec la planche de support.

C - Les supports:
            On réalise une planchette qui va recevoir le moteur, la roue libre et son axe de support. L'entraxe ainsi que la position entre le moteur et la roue libre est déterminé après la réalisation de la petite chaine de liaison.
Le moteur pivote autour d'un  point de fixation pour régler la tension de la chaîne. La roue libre est fixée sur cette planche par des vis à bois dans les trous de rayon qui n'ont pas été taraudé (6 vis). En face des trous taraudés, on réalise des perçages de diamètre 5 mm dans la planchette.
L'assemblage du sous-ensemble de réduction primaire.

A ce stade, vous pouvez tester la qualité de la réduction primaire:

• Si la chaine bat à la fréquence de rotation du moteur: Le pignon réalisé a un défaut de coaxialité trop important. Cela risque d'être rapidement destructeur !
  Il faut, soit corriger le défaut du pignon, soit réaliser un autre pignon ! 
  
• Si le battement de la chaine est faible et s'effectue à la fréquence de rotation de la roue libre. Cela à moins de conséquence (fréquence plus faible)

E - Le bouton de commande a été fixé par l'intermédiaire d'une fixation de poignée de frein et une petite plaque d'aluminium.

La partie mécanique est maintenant terminée, il ne vous reste plus qu'à réaliser le câblage électrique.

6 - La réalisation  (partie électrique)

Un relais commande la mise en marche du moteur. Il faut placer, en parallèle du moteur, une diode de roue libre afin d'éviter le collage des contacts du relais. (J'en ai fusillé deux avant d'apporter cette modification).  Les relais de type automobile 40-50A conviennent s'ils sont protégés par une diode de roue libre.

On n'oubliera pas non plus de placer en série les fusibles (un pour la partie commande 12V du relais (500 mA) et un pour la partie moteur (20-25A).

L’isolation doit aussi permettre d’éviter toute possibilité de court-circuit !
 

Le bouton poussoir commandant le relais est alimenté en 12V sur une des batteries.
Les batteries, au nombre de 4 sont des batteries récupérées sur un onduleur. Elles ont 4 ans, n'ont pratiquement fait aucun cycles et sont en parfait état !
La capacité récupérable dans les batteries au plomb est fonction de l'intensité de décharge. En ayant installé 24Vx14Ah, je ne recupère qu'environ 12Ah. Ceci est lié à la capacité de 14Ah donnée pour une décharge de 0,7A (mon intensité de décharge est 10 fois plus élevée !). Avec seulement 2 batteries installées (24V 7Ah), on ne récupère que 4 Ah !  Mon premier essai, effectué dans cette configuration, c'était avéré mauvais en terme d'autonomie pour cette raison.

7 - Le résultat final 

Avouez que c'est assez discret d'un point de vue visuel

Pour les caractéristiques finales obtenues sur ce vélo:

• Tension d'alimentation choisie:  24V (un test à été effectué en 36V, mais on sort de la catégorie VAE)
  
• Batteries:  4x12V 7AH

Les vitesses obtenues sur le plat et sans vent avec un cycliste (moi !) fournissant 75 watts (pas toujours très motivé !):

• Vitesse sans assistance 20 Km/h
  
• Vitesse avec assistance  25 Km/h
  
• Courant moteur consommé environ 6-8A soit 140-200 Watts électrique
  
• Rendement moteur ~71% 

Ce qui confère au VAE une autonomie d'environ 50 Km sur le plat.

A fin de maximiser l'autonomie, il est recommandé de ne pas enclencher l'assistance tant que le moteur n'a pas atteint la moitié de sa vitesse de rotation à vide (16 Km/h), sinon le rendement moteur est faible et la majeure partie de l'énergie part en chaleur !

On peut utiliser le vélo sans déclencher l'assistance jusqu'à une vitesse de 16-18 Km/h sur le plat, le moteur est peu ressenti.

En utilisation, il est impératif de pédaler pendant et avant la mise en marche de l'assistance sinon le pédalier et le dérailleur empêche la roue libre de tourner. Un capteur pourrait être ajouté au niveau du dérailleur pour stopper automatiquement le moteur si l'on ne pédale pas. Mais, avec une certaine habitude, on "apprends" à couper l'assistance avant d'arrêter de pédaler !

Pour supprimer le bouton de guidon…on pourrait imaginer une commande du relais par la dynamo du vélo et une coupure par une action sur les freins.

Voila, pour ceux qui voudraient se lancer…bon bricolage !