Brevet FR2708320A1 — publié le 19950203

Le dispositif selon l'invention concerne un appareil réducteur-multiplicateur de vitesse à hautes performances dont les innovations apportées à sa conception permettent, par le niveau élevé des performances atteintes, d'accéder à de nouvelles applications et de franchir une autre étape de progrès dans des domaines nombreux et divers. Généralités: Un réducteur ou multiplicateur de vitesse est un appareil situé entre un générateur émetteur d'un mouvement de rotation et un récepteur du mouvement. Le rôle d'un réducteur ou multiplicateur est de transformer les valeurs vitesse-couple du mouvement de rotation de l'émetteur, conformément à un rapport déterminé et invariable avant de le transmettre au récepteur. Les différentes conceptions actuelles connues des réducteurs du type hypocycloïdal, épicycloïdal dans le langage usuel, ne permettent pas d'exploiter les mouvements de rotation dont les vitesses sont très élevées, ni d'assurer une précision mécanique de rotation du niveau atteint par l'appareil qui constitue la présente invention. Les principaux avantages que présente l'invention sont les suivants: - accès à des vitesses de rotation très élevées d'entrée en mode réducteur ou de sortie en mode multiplicateur.Par exemple, plus de 12 000 tours par minute au couple nominal pour une durée de vie de 20 000 heures pour les modèles de faible dimension. - réversibilité: peut être utilisé au choix, en mode réducteur ou en mode multiplicateur. Les capacités de travail aux vitesses rapides permettent l'emploi de cet appareil en mode multiplicateur. Par exemple: mouvement émis à partir d'un moteur électrique dont la vitesse de rotation est de 4 000 tours par minute, rapport du train d'engrenages utilisé en mode multiplicateur:3, vitesse obtenue sur l'arbre de sortie: 12 000 tours par minute. - très grande précision angulaire. Par exemple: jeu mécanique angulaire mesuré entre l'arbre d'entrée et l'arbre de sortie, inférieur à une minute. - rigidité torsionnelle très élevée. - absence de vibration à tous les régimes d'utilisation. - très faible niveau sonore de fonctionnement. - puissances volumique et massique transmises tres élevées: puissance transmise/au volume de l'appareil et puissance transmise/au poids en ordre de marche de l'appareil. - très faibles frottements internes, excellent rendement - capacité de recevoir et de transmettre sous charge des inversions de mouvement à haute fréquence. La figure 1, planche 1/4, représente le principe de fonctionnement d'un réducteur hypocycloïdal. Un engrenage central à denture externe appelé solaire 2 est assemblé en entrée du réducteur sur l'arbre de l'émetteur de mouvement de rotation; le solaire 2 engrène avec un nombre variable de pignons identiques 16, également répartis angulairement autour de celui-ci, sur une circonférence de diamètre D3 et d'entraxe A3; les pignons 16 appelés satellites sont montés "fous" sur des axes a solidaires d'un arbre de sortie du réducteur appelé porte-satellites. Les satellites engrènent d'autre part avec une couronne à denture interne 1. Analyse des bases de l'étude qui ont conduit à l'invention: A partir du principe connu du train hypocycloïdal, de nombreuses voies technologiques et de nombreuses architectures permettent de réaliser des réducteurs de vitesse dont les performances demeurent tout à fait acceptables et adaptées à un marché courant. Pour répondre aux exigences des mécanismes de plus en plus précis et performants: robotique, aéronautique, espace, armement, technique médicale, mécanique de haute précision..., pour permettre le développement de la transmission de mouvements à partir des moteurs rapides de la nouvelle génération, il était nécessaire de concevoir et développer de nouveaux appareils capables de fournir des performances accrues. Le dispositif selon l'invention est construit sur les bases d'une conception géométrique interne qui permet d'éliminer les défauts inhérents aux réducteurs classiques: défauts de concentricité, faux rond, voilage de rotation, parallélismes aléatoires des axes géométriques des éléments tournants, cumul des écarts de tolérance dans la précision de fonctionnement. Le choix très étudié: des matériaux, des couples de frottement, des lubrifiants; les techniques d'usinage et les procédés de fabrication, les traitements spécifiques des matériaux, sont des éléments complémentaires qu'il faut associer au progrès des performances obtenues. Description de l'invention: La figure 2, planche 2/4 est une coupe générale d'un réducteur-multiplicateur hautes performances. Dans le dispositif selon l'invention, le diamètre primitif Dl, d'axe Al de la couronne dentée 1 sert de référentiel fig.1, planche 1/4 et fig.2, planche 2/4. Toutes les opérations d'usinage des organes qui constituent les liaisons couronne 1-solaire 2 d'une part et couronne 1-porte-satellites 3 d'autre part sont réalisées en référence avec la denture de la couronne. En entrée, mode réducteur, le pignon solaire 2 n'est pas monté "flottant", comme sur les réducteurs classiques, par rapport aux pignons satellites 16; dans le cas présent, le solaire 2 est usiné sur un arbre support 4 que l'on nommera: arbre solaire 4+2. L'axe longitudinal Ao de centre 0 de l'arbre solaire 4+2 est guidé et centré en référence au diamètre primitif Dl d'axe Al de la denture de la couronne 1 par l'intermédiaire de roulements spéciaux de très haute précision 5, assemblés dans un alésage 7 situé dans le prolongement de la denture de la couronne; l'alésage 7 étant lui-même usiné en référence au diamètre primitif Dl, d'axe Al de la denture couronne 1. En sortie, mode réducteur, l'axe longitudinal Ao de centre O de l'arbre porte-satellites 3 est guidé et centré en référence au diamètre primitif D1 d'axe Al de la denture de la couronne 1 par l'intermédiaire de roulements spéciaux de très haute précision 6 assemblés dans un alésage 8 situé dans le prolongement de la denture de la couronne; l'alésage 8 étant lui-même usiné en référence au diamètre primitif D1, d'axe Al de la denture couronne 1. En particulier, le dispositif prend en référence le diamètre primitif D1 d'axe Al de la denture de la couronne 1 pour positionner tous les autres systèmes. Il est à remarquer que: - les arbres solaire 4+2 et porte-satellites 3 sont coaxiaux et portés par le même axe Ao de centre o. - l'ensemble couronne dentée 1 + alésages 7 et 8 constitue une pièce unique. Cette conception permet de supprimer les paliers de liaison qui sont, en partie, responsables des défauts de concentricité, voilage de rotation, parallèlismes aléatoires des axes, cumul des écarts de tolérance. - le positionnement des satellites 16 sur la circonférence D3, d'axe A3 de l'arbre porte-satellites 3 est réalisé en référence à l'axe Ao de centre o, commun à l'arbre porte-satellites 3 et à l'arbre solaire 4. Pour garantir une parfaite coaxialité fig.2, planche 2/4, de l'axe Ao de centre o, entre l'arbre solaire 4+2 et l'arbre porte-satellites 3 et pour, en conséquence obtenir une concentricité et un parallèlisme maximaux des pièces mobiles les unes par rapport aux autres, les arbres solaire 4+2 et portesatellites 3, habituellement non reliés entre eux sont, dans le cas étudié, mis en liaison par l'intermédiaire d'un roulement 9 dont la cage intérieure du roulement est montée sur un épaulement 10, situé dans le prolongement du pignon solaire 2, et la cage extérieure dans un alésage usiné au centre de l'arbre portesatellites 3, côté satellites. Dans le cas des rapports de réduction élevés, obtenus par l'addition d'un ou de plusieurs étage(s) supplémentaire(s), le principe qui vient d'être décrit s'applique dans les mêmes conditions, fig.2, planche 2/4. L'organe qui joue le rôle de l'arbre porte-satellites dans un étage supplémentaire s'appelle: cage porte-satellites 11. Le tableau synoptique fig.3, planche 3/4, représente, selon l'invention, la conception géomètrique générale du réducteurmultiplicateur hautes performances. L'importance du couple transmis par un engrenage dépend des caractéristiques de la denture: module, géométrie du profil, surface de conctact, matériaux utilisés, traitements thermiques et de surface, état de surface, lubrification, etc... La surface de contact est proportionnelle à la longueur de la denture utilisée pour la transmission du mouvement; la capacité du couple transmis est donc proportionnelle à la longueur de la denture de contact. L'expérience montre qu'une flexion longitudinale de la denture et des axes apparait sur les dentures longues soumises à des efforts très importants; celà se traduit par une répartition non homogène des efforts et une fluctuation des valeurs du champ de pression sur la ligne de contact des dents avec pour conséquence l'apparition possible de phénomènes vibratoires et l'usure prématurée de l'appareil. Pour transmettre de très forts couples en évitant les inconvénients entrainés par une denture longue, une nouvelle conception a été apportée au porte-satellites 3 et à la cage porte-satellites 11 fig.2, planche 2/4. Les satellites 16 fig.l, planche 1/4 et fig.2, planche 2/4 sont positionnés dans des logements 17 fig.4 et 5, planche 4/4 situés radialement, dans des plans perpendiculaires à l'axe longitudinal Ao de centre o de l'arbre porte-satellites 3 ou cage porte-satellites 11 et sont répartis angulairement. Les logements 17 peuvent être obtenus par une technique d'usinage appropriée ou par fonderie dans le cas des arbres moulés. La figure géométrique de chaque logement 17 représente un volume de la forme d'un parallèlépipède rectangle ouvert aux deux extrémités, découpé suivant l'axe d'un rayon à partir de la surface extérieure de l'arbre et débouchant au centre dans l'alésage 18. Les porte-satellites et cage satellites sont, selon l'invention, constitués de plusieurs rangées de logements disposées côte à côte dans des plans paralleles et équidistants, plans 1,2,3 sur la figure 5, planche 4/4, séparés entre eux par une paroi 19. Le nombre de rangées dépend de la valeur du couple qui doit être transmis par la denture et du type d'application du réducteur-multipl icateur. Le dispositif, selon l'invention, permet l'utilisation de pignons satellites de largeur réduite et assure une parfaite rigidité des axes porte-satellites. Chaque axe a fig.l, planche 1/4 et fig.4, planche 4/4, traverse toutes les rangées de satellites. Dans l'exemple fig.5, planche 4/4, chaque rangée contient quatre satellites, le porte-satellites dispose de trois rangées de logements et contient 4x3=12 satellites supportés et guidés par 4 axes a. Le dispositif dispose d'un système de lubrification fig.2, planche 2/4. Un réservoir d'huile 13 logé à l'intérieur de l'arbre porte-satellites autour de l'axe longitudinal Ao, dans le prolongement de l'alésage du roulement de guidage 9 du pignon solaire se poursuit apres rétrécissement sous la forme d'un tube 14 de faible section, jusqu'à l'extrémité du porte-satellites, côté sortie réducteur, où un bouchon fileté démontable, non représenté sur la figure, sert d'obturateur étanche. Le tube 14, réalisé selon l'application du réducteur-multiplicateur a une fonction de remplissage du liquide lubrifiant. Des canaux 12 fig.2, planche 2/4 et fig.5, planche 4/4 débouchant à leurs extrémités, sont percés radialement suivant un axe oblique dans le porte-satellites 3. Ces canaux permettent d'établir un circuit de lubrification et de refroidissement entre la zone périphérique: denture couronne 1 et la zone centrale: réservoir 13 en passant entre les éléments circulants des roulements 6. Un débit d'huile est créé par la rotation des pignons dentés selon un principe de fonctionnement analogue à celui des pompes hydrauliques à engrenages. La lubrification des pièces en frottement au cours du fonctionnement du réducteur-multiplicateur utilise les modes combinés et complémentaires suivants: - lubrification par barbotage - lubrification par circulation d'huile - lubrification par projection d'huile Chaque partie interne du réducteur-multiplicateur est lubrifiée selon l'un des trois modes cités, en fonction de la position dans l'espace de l'appareil en cours de fonctionnement. Le refroidissement du réducteur-multiplicateur, dans le cas d'une utilisation dans des conditions sévères, est assuré par l'échange et le transfert thermique des calories produites dans les parties chaudes: zones de contact et de frottement vers les parties froides: zones périphériques. En cours de fonctionnement, le fluide de lubrification devient, en second rôle, fluide caloporteur et utilise son propre débit canalisé dans le circuit de lubrification pour permettre le transport et l'échange thermique. REVENDICATIONS 1) Réducteur-multiplicateur de vitesse pour au moins un train hypocycloïdal, caractérisé en ce que le diamètre primitif D1 d'axe Al de la couronne dentée 1 sert de référentiel de base à la conception géomètrique de l'ensemble de l'appareil. 2) Réducteur-multiplicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre primitif D1 d'axe Al de la couronne dentée 1 est la base de référence commune aux liaisons: couronne 1 - solaire 2 et couronne 1 - porte-satellites 3. 3) Réducteur-multiplicateur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les liaisons entre la couronne dentée 1 d'axe Al et les arbres solaire 4+2 d'axe Ao d'une part et porte-satellites 3 d'axe Ao d'autre part, sont assurées par des roulements de très haute précision 5 et 6, dont les bagues extérieures sont montées dans des alésages 7 et 8 usinés en référence au diamètre primitif Dl d'axe Al de la couronne dentée 1. 4) Réducteur-multiplicateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la denture de la couronne 1 de diamètre primitif Dl, d'axe Al et les alésages 7 et 8 usinés aux extrémités de celle-ci constituent une pièce unique. Cette conception permet la suppression des paliers. 5) Réducteur-multiplicateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pignon solaire 2 est taillé sur un arbre 4 dont l'axe de rotation Ao est guidé et centré sur la référence: diamètre primitif Dl d'axe Al de la couronne dentée 1 par l'intermédiaire de roulements spéciaux de haute précision 5. Cette conception géomètrique garantit le parallèlisme des axes Al/Ao et la concentricité du diamètre primitif D2 d'axe A2 de la denture solaire 2 par rapport à la référence diamètre primitif D1 d'axe Al de la denture couronne 1. L'ensemble arbre 4 + solaire 2, nommé arbre solaire 4+2 sert de positionnement du diamètre primitif D2 d'axe A2 du solaire 2 par rapport à la référence DI d'axe Al de la denture couronne 1 et sert également à la transmission du mouvement de rotation entre l'entrée et les satellites en mode réducteur ou entre les satellites et la sortie en mode multiplicateur. 6) Réducteur-multiplicateur selon les revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les extrémités de l'arbre solaire 4+2, côté solaire et de l'arbre porte-satellites 3, côté satellites, sont mis en relation de rotations relatives par l'intermédiaire d'un roulement de haute précision 9 dont la cage intérieure est montée sur un épaulement 10, usiné dans le prolongement de la denture du solaire 2 et dont la cage extérieure est logée dans un alésage usiné au centre de l'arbre porte-satellites 3, étant de par la conception géomètrique du dispositif parfaitement coaxiaux, sont portés par l'axe commun Ao de centre 0. 7) Réducteur-multiplicateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'arbre porte-satellites 3 est constitué de plusieurs rangées de logements 17, destinés à recevoir les satellites 16, disposées côte à côte dans des plans parallèles, plans:l,2,3, et équidistants, séparés entre eux par une paroi 19 d'épaisseur déterminée. Chacun des axes a traverse toutes les rangées, plans:l,2,3, et supporte les satellites 16 de tous les logements 17 situés sur un même axe a. Les logements 17 usinés radialement, selon une technique appropriée, ou obtenus par fonderie dans le cas de portesatellites moulés, sont tous identiques et de la forme d'un tube de section rectangulaire ouvert aux deux extrémités; les dimensions de la section des logements sont en corrélation avec les dimensions des satellites: largeur et diamètre. 8) Réducteur-multiplicateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'arbre porte-satellites 3 contient un réservoir d'huile 13, relié à un tube de remplissage 14 qui débouche à l'extrémité, côté sortie, de l'arbre portesatellites 3. Le tube de remplissage est obstrué par un bouchon fileté étanche démontable. 9) Réducteur-multiplicateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'arbre porte-satellites 3 et la couronne 1 disposent de canaux 12 et 15 qui permettent d'assurer les fonctions: de lubrification et de refroidissement par circulation interne du liquide lubrifiant.