Brevet FR2599802A1 — publié le 19871211

La présente invention concerne un réducteur sans jeu spécialement destiné à La robotique, domaine technique dans lequel la précision des mouvements commandés est de plus en plus exigente. Toute transmission de mouvement, dans laquelle une réduction ou une multiplication de vitesse est mise en oeuvre, possède un jeu de fonctionnement. C'est notamment le cas des réducteurs à engrenages quels que soient leur mode de réalisation et leur cinématique où un jeu résiduel est nécessaire pour la lubrification des dentures et La compensation des erreurs géométriques de fabrication, malgré La précision d'exécution et l'existence de mécanismes de rattrapage de jeux. Bien entendu, plus les étapes de démultiplication sont nombreux et plus le jeu entre L'arbre d'entrée et L'arbre de sortie est important. Il existe également des réducteurs sans denture qui font intervenir des galets lisses ou des billes pour transmettre, avec un rapport de démultiplication, Le mouvement d'une portée menante à une portée menée, entre lesquelles les galets sont montés à force. De tels dispositifs sont illustrés notamment par le document FR-A-2 522 763. Le principal inconvénient de ces dispositifs réside dans le fait que Les couples d'entranement et résistants sont à L'origine d'efforts tangentiels non équilibrés sur Les galets qui se répercutent sur les dispositifs de guidage de ceux-ci- engendrant une perte d'énergie par frottement et donc un rendement diminué du réducteur et une forte usure. La présence de ces dispositifs de guidage est obligatoire et, par construction, un jeu doit nécessairement exister entre eux et les galets, jeu dont on retrouve les effets en sortie du réducteur. Compte tenu de l'intensité importante de ces efforts, ces dispositifs de guidage doivent être Largement dimensionnés ce qui ne manque pas d'augmenter et l'encombrement du dispositif et son inertie. Par ailleurs, les systèmes de serrage radial des galets contre leurs portées ne possèdent pas l'élasticité nécessaire à la conservation dans le temps des caractéristiques de transmission des couples par le réducteur sans une intervention périodique manuelle de rattrapage de jeux. Enfin, on notera que Le système décrit dans le document susdit ne prévoit pas d'accouplement sans jeu entre l'élément mené du réducteur et L'organe qu'il doit entraîner,si bien qu'à ce niveau il est certain qu'un jeu de transmission sera présent et pourra affecter la qualité de la transmission de mouvement. L'inertie, l'existence de jeu, le rendement faible dû aux efforts de frottement dans le réducteur et l'encombre- ment de ces appareils en interdisent leur utilisation en robotique dans laqueLle tant l'amplitude que le point de départ et d'arrivée d'un bras de robot sont à être atteints aussi précisément que possible. Ce résultat ne peut être obtenu que par un dispositif dans lequel non seulement les jeux de fonctionnement sont absents, tant de manière interne que dans la liaison du dispositif avec les éléments voins de La chaîne cinématique, mais possédant également une grande rigidité, une grande compacité et un rendement optimum. Ce résultat est atteint par le dispositif selon L'invention qui consiste en un réducteur sans jeu interposable par exemple entre un bras fixe d'un élément manipulateur et un bras mobile articulé au bras fixe, ce réducteur étant accouplé par son organe de sortie audit bras articulé et recevant en entrée Le mouvement d'un moteur de commande des déplacements angulaires d'un bras par rapport à L'autre. Le réducteur selon L'invention comporte - une portée menante de révolution montée à rotation autour d'un axe et couplée à un dispositif d'entrainement ; - une couronne présentant une portée coaxiale à Ladite portée menante et attelée à un organe à entraîner; - une pluralité de-galets régulièrement répartis à force dans L'espace annulaire séparant Les deux portées. Selon L'une des caractéristiques principales de L'invention, ces galets comportent des extrémités axiales de diamètre différent de celui de Leur partie centrale qui roule entre les portées susdites, symétriques par rapport au plan transversal médian des galets et coopérant à roulement sur des pistes fixes solidaires du bâti du réducteur, Lesdites extrémités étant maintenues plaquées radialement sur lesdites portées, de manière que la répartition des efforts radiaux subis par les galets soit symétrique par rapport audit plan. On doit dès à présent noter que L'invention concerne également une construction très semblable dans laquelle La sortie du mouvement serait réalisée au moyen des deux pistes susdites qui coopèrent avec les extrémités des galets, ces pistes étant rendues tournantes alors que La couronne susdite serait rendue fixe par rapport au bâti. Cette variante de réalisation ne sera pas décrite en détail dans ce qui suit mais il est du domaine de L'homme de l'art de passer de l'exem- ple décrit à cette variante. Dans un mode de réalisation avantageuse de l'in- vention, chacune des portées susdites est ménagée sur une bague élastiquement déformable en direction radiale afin d'assurer le passage des éléments roulants et de compenser L'usure des galetswpistes et portées. En outre, le réducteur pourra comporter deux bagues secondaires élastiquement déformables en direction radiale situées en regard des extrémités de chaque galet et dont L'effet tend à plaquer lesdites extrémités contre la piste fixe corresponda-nte. Il est par ailleurs avantageux de prévoir chacune desdites bagues déformable à paroi mince, pourvue de nervures de raidissage du côté opposé à sa face en contact avec tes galets et disposées dans des plans radiaux. Afin de permettre la suppression des jeux en sortie de réducteur, et Le rattrapage de L'usure normale des galets, La couronne menée est accouplée sans jeu à un corps de fixation de L'organe à entraîner au moyen d'un manchon radialement élastique dans l'extrémite duquel est enserrée une portion annulaire extérieure de ladite couronne . De plus, La liaison en rotation est avantageusement réalisée par l'extré- mité du manchon qui comporte une denture intérieure montée à force sur une denture extérieure de La portion annulaire susdite de La couronne, le contact des deux pièces étant assuré sur les flancs de la denture. Le manchon possède à son autre extrémité une partie massive indéformable de fixation audit corps. Pour son entraînement par un arbre moteur, la bague portant la portée menante est équipée intérieurement d'une denture coopérant avec un pignon menant,calé sur un arbre moteur monté à rotation dans un palier du bâti du réducteur. IL sera avantageux de disposer L'axe du palier parallèlement à L'axe de rotation de La couronne et excentré par rapport à L'axe de l'alésage du bâti le recevant pour constituer un moyen de rattrapage du jeu entre dentures. Dans une variante de réalisation de cet entrée nement, la bague pourvue de la portée menante est équipée d'une portée intérieure lisse au contact de Laquelle une extrémité libre d'un arbre moteur, évidée pour présenter dans La zone de contact une paroi mince élastiquement déformable, est maintenue de manière forcée. Enfin, on notera que chaque piste fixe est constituée par la surface intérieure d'une extrémite amincie d'une bague dont L'autre extrémité est fixée au bâti du réducteur, ladite paroi amincie étant pourvue d'une frette extérieure pour lutter contre sa tendance à s'évaser après La mise en place des galets. L'invention sera mieux comprise au cours de La description donnée ci-après à titre d'exemple purement indi catit et non Limitatif qui permettra d'en dégager les avantages et les caractéristiques secondaires. IL sera fait référence aux dessins annexés dans lesquels - La figure 1 est un schéma d'un mode de réalisation de L'invention, - la figure 2 illustre par un schéma semblable une variante de la figure 1, - la figure 3 est une coupe longitudinale d'un réducteur selon le schéma de la figure 1, - la figure 4 est une coupe transversale partielle selon la Ligne IV-IV de la figure 3, - la figure 5 est une coupe transversale partielle selon la ligne V-V de la figure 3, - la figure 6 est une vue partielle d'une variante de réalisation de la figure 3, - la figure 7 est une variante de détail de La figure 3, - la figure 8 illustre par une vue partieLLe une autre variante de détaiL de la figure 3. En se reportant tout d'abord à la figure 1, on voit qu'un réducteur selon l'invention comporte un arbre d'entrée de mouvement 1 coopérant par roulement sans glissement, avec une bague 2, autour de laquelle est répartie une pluralité de galets périphériques 3. Chacun de ces galets 3 comporte une partie centrale 3a de diamètre plus important que les deux parties d'extrémité 3b, 3c qui la prolongent symétriquement. La partie centr-ale 3a est introduite à force dans L'espace annulaire prévu entre une portée lisse extérieure 2a de la bague 2 et une portée lisse intérieure 4a d'une couronne menée 4 qui constitue L'organe de sortie de mouvement schématiquement relié à l'axe de sortie 5. Les deux parties symétriques 3b et 3c des gaLets prennent, quant à elles,appui sur des pistes intérieures fixes 6 et 7 sur lesquelles eLLes rouLent sans glisseur. ELLes so-nt maintenues en contact forcé sur ces pistes par L'élasticité radiaLe de La bague 2. EventueLlement, des bagues élastiques secondaires 8 et 9 coopèrent à l'appui des extrémités des galets 3b et 3c sur Les pistes fixes 6 et 7. L'exécution de La construction sera particuLièrement soignée en ce qui concerne Le respect de la symétrie dimensionnelle par rapport au plan transversal 10 des galets, des bagues et des couronnes, le choix des matériaux, et la définition des procédures de montage pour obtenir en final une même symétrie des efforts radiaux appli- quésaux galets 3. Ce schéma montre qu'une rotation de L'arbre 1 qui est fixe par rapport à un bâti du réducteur sur lequel sont ménagées les pistes 6 et 7 , engendre une rotation de la bague 2 démultipLiée qui elle-même entrain le roulement des galetas 3 sur les pistes 6 et 7 et la rotation de la couronne 4. On comprend que si le diamètre des parties 3a des galets est identique à ce lui des parties 3b et 3c, aucune rotation de la couronne 4 n'est engendrée.Pour des parties 3a de diamètre supérieur aux parties 3b,3c la rotation de La couronne 4 s'opère dans le sens contraire de ceLui de La bague 2. Dans un rapport de diamètres inverses, La rotation de la couronne 4 se produit dans le même sens que celui de La bague 2. La transmission de mouvement entre la bague 2 et la couronne 4 ne fait intervenir aucun jeu fonctionnel.En outre, par L'qui libre des forces tangentielles appliquées aux galets, du fait de leur construction symétrique par rapport au plan médian 10 contenant la bague 2, et de la répartition symétrique par rapport à ce plan, des efforts radiaux qu'iLs subissent,aucune tendance à la mise en biais des galets ne se produit, ce qui supprime tout effort parasite ayant une influence néfaste sur le rendement par Les frottements qu'iL engendre ainsi que la nécessité de maintenir les galets dans des porte-satellites qui étaient, antérieurement à L'invention, prévus pour encaisser ces efforts parasites.La suppression de ces porte sateltites, ou tout dispositif de guidage analogue, présente l'avan- tage de réduire L'inertie de l'ensemble des pièces tournantes et de permettre la mise en place d'un pLus grand nombre de gaLets entre les pièces menantes et menées, donc de transmettre un couple ou une puissance plus importante sous un encombrement plus réduit ou au moins équivalent. On verra dans ce qui suit Les moyens de l'in- vention mis en oeuvre pour, d'une par-t rattraper L'usure possi ble des pièces en mouvement et, d'autre part, supprimer les jeux '4en amont" de la pièce 2 et "en aval" de la couronne 4. Sur la figure 2, on retrouve certains des éléments déjà décrits avec les mêmes références. Alors que sur la figure 1 la Liaison entre les pistes fixes 6 et 7 est réalisée à l'intérieur du réducteur ( partie hachurée sur La figure) , dans la figure 2 cette liaison est assurée de manière externe (symbolisée également par une partie hachurée). La bague 2 est dans ce cas directement solidaire de L'arbre d'entrée i au moyen de bras radiaux ou tout autre dispositif permettant une certaine élasticité radiaLe de la bague tout en assurant une liaison en rotation donc en torsion extrêmement rigide entre la bague et L'arbre. D'autres variantes de réaLisation sont possibLes, notamment par panachage des solutions esquissées aux figures 1 et 2. La figure 3, qui est une coupe d'une réalisation indus trille possibLe du réducteur seLon l'invention, reprend La plupart des éléments déjà décrits avec Les mêmes références. Pour ce qui concerne le bâti du réducteur, on notera qu' il se compose d'un premier corps 20 possédant une platine de fixation 21 et un aLésage 22 pour la mise en pLace d'un palier 23 de guidage de L'arbre moteur 1. L'axe 24 de cet alésage est paraLlèle à L'axe général X du réducteur. Ce corps 20 possède à L'opposé de sa pLatine 21, une portion cyLindrique 25 d'axe X, pourvue à son extrémité de canneLures 25a, sur lesquelles sont emmanchées à force Les cannelures (ou dentures) correspondantes 26a d'un second corps 26 du bâti. Le contact entre cannelures est réalisé sur leurs fLancs si bien qu'une liaison extrêmement rigide et sans jeu est assurée entre Les premier et second corps 20,26. Des vis ajustées 27 viennent parfaire cette Liaison. On notera que Le corps 26 comporte des orifices taraudés 28 oui iLLustrent une Dossibilité de fixation par cette face. Chacun des corps 2Q et 26 possède une surface cyLindrique 29a, 29b coaxiale à L'axe X, sur laquelle, préalablement à Leur assembLage, des manchons 30 et 31 sont disposés par emmanchement à force et Liaison par vis ajustées 32. L'extrémité intérieure 30a, 31a de chaque manchon comporte une surface cyLindrique qui constitue la piste 6,7 correspondan te. Après montage, en force, des galets 3, les charges radia les exercées par les embouts 3a, 3b de ces galets, déforment en cane les pistes 6,7 primitivement cylindriques. Pour remettre ces pistes dans leur forme initiale afin de préserver un contact réparti entre les pistes et les embouts, on adjoint des bagues de frettage 33 qui équiLibrent exactement L'action radiale des galets. L'arbre moteur 1 est pourvu à son extrémité intérieure, d'un pignon 34 qui attaque une denture 35 portée par La bague 2. Cette bague, devant posséder une grande élasticité radiale, est constituée sous forme d'une paroi mince nervurée 36 dans des plans radiaux pour La rendre résistante en flexion. Dans le cas de La figure 3 cette bague est maintenue axialement entre les fLancs des deux bagues secondaires 8 et 9 de profiL semblabLe à ceLui de La bague 2. Sur La figure 7 on remarquera une variante dans LaquelLe La bague 2 possède des rebords 37 cooperant avec les épaulements des gaLets 3 pour son maintien axiaL par rapport à ces derniers. On notera égaLement sur cette figure la configuration de double denture 35a ménagée sur deux nervures 36. La couronne 4 est également de constitution semblable à celle de la bague 2 pour Les mêmes raisons. Cette couronne est pourvue d'une denture extérieure 38 sur laquelle est emmanchée à force une denture correspondante 39 ménagée à L'extrémité d'un manchon 40. La forme du manchon 40 est telle qu'entre la denture 39-et une partie d'extrémité indéformable et masse 40b il existe une paroi mince 40a cylindrique (ou même conique) afin de conférer une certaine élasticité radiale au manchon tout en conservant une grande résistance en torsion. Ainsi la denture 39 peut-elle suivre la diminution élastique de diamètre de la couronne 4 due à L'usure des galets après bien ent-endu avoir accepté une déformation élastique inverse lors de son emmanchement sur la denture 38. La partie massive 40b du manchon 40 permet sa fixation sans déformation et sans jeu, au moyen de vis ajustées 41 à une enveloppe cylindrique tournante 42 guidée par rapport au b ti au moyen de roulements 43 appropriés. L'étanchéité du volume intérieur du réducteur est assurée par des joints 44 prévus entre le bâti et l'enveloppe. On notera que l'ensemble enveloppe 42-manchon 40 est équipé d'une bride 45 permettant la fixation de L'organe - par exemple un bras de robot - à commander en rotation autour du bâti Lui-même soLidaire d'un autre élément du robot. Cette-bride peut être prévue sur le manchon 40 (comme dans la figure) ou sur L'en- veloppe 42. Sur la figure 8 on a représenté une variante de réalisation de la solidarisation sans jeu du manchon 40 à l'enveloppe 42 au moyen d'un emmanchement à force de dentures 46 extérieures pour le manchon 40 et intérieures pour l'enve- loppe 42. Revenant à la figure 3 et aux figures 4 et 5 sur Lesquelles on retrouve certains des éLéments de La figure 3 avec les mêmes références, on notera La présence de demicages 47, 48 pour le maintien des galets 3 à écartement constant. Il faut noter que ces cages ne coopèrent qu'avec les embouts 3b ou 3c des galets et n'encaissent aucun effort contrairement aux porte-sateLlites des dispositifs connus. Dans une réalisation nécessitant le passage d'un fort couple, au détriment du rendement et de L'usure du réducteur, on peut prévoir la mise en place de galets jointifs sans cages de maintien. Afin de conférer au réducteur Les quaLités de transmission sans jeu et de parfaite symétrie, La fabrication de tous ses composants sera exécutée de manière très soignée. Ainsi Les bagues 2,4,8,9 seront-elles montées à force contre les galets 3 de manière que les forces radiaLes exercées sur chaque gaLet par l'ensemble des bagues intérieures 2, 8, 9 soient équilibrées par ltensemble des réactions des bagues 4 et pistes extérieures 6 et 7. La section des bagues et Leur diamètre d'origine, avant montage sur Les gaLets, seront caLculés de façon que la répartition des actions et réactions éLémentaires soient symétriques par rapport au pLan 10 (figure 1) et que chaque piste 6,7 exerce sur chaque galet un effort radial légèrement supérieur à La moitié de celui exercé par la couronne extérieure 4. Le rapport des efforts radiaux exercés sur les galets par la couronne 4 et les pistes 6 et 7 est fonctiondu rapport de réduction du réducteur.Ces efforts sont tels qu'ils permettent sans manque ni excès la juste transmission du couple de sortie du réducteur en tenant compte du facteur d'adhérence des galets sur ses pistes de roulement. Pour ce qui concerne la répartition des efforts tangentiels, la construction du réducteur selon L'invention, sous réserve d'une symétrie des efforts radiaux par rapport au pLan susdit, permet d'équiLibrer ces efforts tangentieLs et donc de voir Les gaLets rouler sans dévier aussi aisément sur leur piste que Les rouleaux d'un roulement à rouleaux. Il faut par ailleurs remarquer que Le paLier 23 de support de L'arbre 1 d'axe 23a est légèrement excentré par rapport à L'axe 24 de l'alésage 22 qui le reçoit. Cette disposition permet de régler la position du pignon 34 par rapport à la denture 35 de La bague 2 et d'annuler ou compenser Les jeux entre dentures.En tout état de cause, même s'il subsiste un Léger jeu, Le rapport de réduction diminue en sortie le jeu dans les mêmes proportions et ce dernier devient négligeable en regard de la précision demandée. Sur la figure 6 on a représenté schématiquement une variante de réaLisation dans le couplage entre L'arbre 1 et la bague 2. Cette dernière possède une portée intérieure Lisse 50, au Lieu d'une denture, sur laquelle s'appuie L'extrémité la de L'arbre 1 conformée en une cloche 51 à paroi mince 52 pour présenter une certaine élasticité radiale. Cette disposition, dans laquelle Le contact entre La cloche et la couronne est assuré de manière forcée au montage, assure un rattrapage automatique des jeux par élasticité. Bien entendu, Le dispositif selon l'invention a été décrit dans sa version réducteur. Il suffit d'inverser Les fonctions pour qu 'iL fonctionne en multiplicateur. Ainsi peuton prévoir de rendre L'ensembLe manchon 40-enveloppe 42 moteur et de recueillir le mouvement multiplié en sortie au niveau de L'arbre 1. On peut dans une autre version réducteur, prévoir une sortie de mouvement au niveau des corps 20 et 26, le manchon 40 et l'enveloppe 42 étant immobilisés. Les galets peuvent présenter des surfaces de roulement sphériques, les pistes et Les portées étant dans ce ca-s toriques. On peut également prévoir des galets de forme biconique avec ou sans partie centrale cylindrique, les portées et pistes étant de forme correspondante. L'invention trouve une application intéressante dans le domaine de la mécanique de précision. RFVENDICATIONS 1. Réducteur de vitesse sans jeu comprenant - une portée (2a) menante de révolution montée à rotation autour d'un axe et couplée at un dispositif d'entrainement (1), - une couronne (4) présentant une portée (4a) coaxiale à la dite portée menante (2a) et attelée à un organe à entrainer, - une pluraLité de gaLets réguLièrement répartis à force dans L'espace annulaire séparant Les deux portées (2a, 4a), caractérisé en ce que ces gaLets (3) comportent des extrémités axiales (3b,3c) de diamètre différent de ce Lui de Leur partie centraLe (3a) qui roule entre Les portées (2a,4a) susdites, symétriques par rapport au plan (10) transversal médian des gaLets (3) et coopérant à rouLement sur des pistes (6,7) fixes L'une par rapport à L'autre, Lesdites extrémités étant maintenues plaquées radialement sur lesdites portées de manière que La répartition des efforts radiaux subis par Les gaLets soit symétrique par rapport audit pLan (10). 2. Réducteur seLon La revendication 1 caractérisé en ce que chacune des portées (2a,4a) susdites est ménagée sur une bague (2,4) élastiquement déformable en direction radiale afin d'assurer le serrage des éléments roulants et de compenser L'usure des gaLets, pistes et portées. 3. Réducteur selon La revendication 1 ou La revendilation 2 caractérisé en ce qu'iL comporte deux bagues se con- daires (8,9) éLastiquement déformabLes en direction radiaLe situées en regard des extrémités (3b,3c) de chaque galet (3) et dont L'effet tend à plaquer Lesdites extrémités contre la piste fixe (6, 7) correspondante. 4. Réducteur selon L'une quelconque des revendications 2 et 3 caractérisé en ce que chacune desdites bagues (2,4,8,9) déformables est à paroi mince, pourvue de nervures (36) de raidissage du coté opposé à sa face en contact avec Les galets et disposées dans des pLans radiaux. 5. Réducteur selon L'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la couronne (4) menée est accouplée sans jeu à un corps (42) de fixation de organe à entraîner au moyen d'un manchon (40) radialement élastique dans L'extrémité duquel est enserrée une portion annulaire extérieure de Ladite couronne (4). 6. Réducteur selon la revendication 5 caractérisé en ce que L'extrémité du manchon (40) comporte une denture intérieure (39) montée à force sur une denture extérieure (38) de La portion annulaire susdite de la couronne (4), Le contact des deux pièces étant assuré sur Les flancs de La denture. 7. Réducteur selon la revendication 5 ou la revendication 6 caractérisé en ce que ledit manchon (40) possède à son autre extrémité une partie massive (40b) indéformable de fixation audit corps (42). 8. Réducteur selon L'une quelconque des revendications 2 à 7 caractérisé en ce que La bague (2) portant La portée menante est équipée intérieurement d'une denture (35) coopérant avec un pignon (34) menant calté sur un arbre moteur (1) monté à rotation dans- un paLier (23) du bâti du réducteur. 9. Réducteur seLon la revendication 8 caractérisé en ce que L'axe (23a) du paLier (23) est paralLèLe à L'axe 10. Réducteur seLon L'une queLconque des revendications 2 à 7 caractérisé en ce que La bague (2) pourvue de La portée menante est équipée d'une portée intérieure lisse (50) au contact de LaqueLLe une extrémité Libre (51) d'un arbre moteur (1) évid-ée pour présenter dans La zone de contact une paroi mince (52) élastiquement déformabLe est maintenue de manière forcée. 11. Réducteur selon L'une queLconque des revendications précédentes caractérisé en ce que Les gaLets (3) sont maintenus entretoisés par deux demi-cages (47,48) dont les dents sont intercalées entre Leurs parties d'extrémités (3b, 3c) de diamètre réduit. 12. Réducteur selon L'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que chaque piste (6,7) fixe est constituée par la surface intérieure d'une extrémité amincie d'une bague (30,31) dont L'autre extrémité est fixée au bâti (20,26) du réducteur. 13. Réducteur seLon la revendication 12 caractérisé en ce que La paroi amincie susdite est pourvue d'une frette extérieure (33).