Brevet FR2716515A1 — publié le 19950825

La présente invention concerne un dispositif d'entraînement en rotation du type à entraînement par ondulation. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif d'entraînement du type de celui dont le principe de conception, ainsi que divers modes de réalisation, est décrit et représenté dans le document US-A-2.906.143. Un tel dispositif comporte un mécanisme réducteur à engrenages qui comporte un premier engrenage extérieur, un second engrenage intérieur sensiblement coaxial au premier engrenage, possédant un nombre de dents différent de celui du premier engrenage et comportant une paroi cylindrique déformable, un organe générateur de déformations ayant pour fonction de déformer elliptiquement la paroi du second engrenage de manière que ses dents n'engrènent avec les dents du premier engrenage qu'en deux positions opposées sensiblement alignées sur le grand axe d'une ellipse, et des moyens pour faire tourner simultanément lesdites deux positions en propageant ainsi une onde de déformation le long de la paroi déformable du second engrenage qui provoque une rotation relative entre le second engrenage et le premier engrenage. Dans son mode de réalisation industriel couramment mis en oeuvre, un tel dispositif comporte un engrenage intérieur flexible, également appelé "Flexspline", à denture extérieure qui comporte en général deux dents de moins que l'engrenage extérieur, également appelé "Circular Spline", et donc un diamètre primitif plus petit d'environ 1 %. L'engrenage intérieur est déformé par un générateur d'ondulation, également appelé "Wave Generator", qui se présente sous la forme d'un mandrin elliptique entraîné en rotation par un moteur électrique et qui coopère avec la surface cylindrique intérieure de la paroi cylindrique déformable élastiquement de l'engre- nage avec interposition de moyens de roulement constitués par une série de billes. Si le nombre de dents de l'engrenage extérieur rigide est égal à 2N et si le nombre de dents de l'engre- nage intérieur flexible est égal à 2N - 2, une rotation de 1 tour du générateur d'ondulation provoque une rotation relative de 1/N tour du rotor constitué par l'engrenage extérieur circulaire. Un tel dispositif, également appelé "Harmonic Drive" permet d'obtenir des rapports de réduction particulièrement élevés tout en présentant un volume réduit, des raideurs angulaires importantes et des jeux angulaires relativemement faibles. La conception connue et industrialisable d'un tel dispositif a néanmoins pour inconvénient d'être encore insuffisamment compacte du fait de la présence d'un moteur électrique extérieur pour l'entraînement en rotation du générateur elliptique d'ondulation. Par ailleurs, les jeux angulaires inhérents au roulement à billes interposé entre le générateur et l'engrenage déformable, bien que réduits, peuvent s'avérer encore trop importants pour certaines applications, notamment lorsque l'on souhaite utiliser un tel dispositif pour un entraînement en rotation de précision d'appareils de précision, notamment dans des applications spatiales, par exemple pour la commande de l'orientation d'antennes de satellites. Afin de réduire les jeux angulaires, de nombreuses solutions ont été proposées qui concernent essentiellement la forme des dents des deux engrenages et qui nécessitent des opérations de taillage complexes et coûteuses à réaliser. Enfin, il est souhaitable de réduire l'inertie élevée d'un tel type de dispositif qui est due à la présence du roulement de grand diamètre interposé entre le générateur elliptique d'ondulation et l'engrenage intérieur déformable. L'invention a pour but de proposer une nouvelle conception d'un tel type de dispositif d'entraînement en rotation qui remédie aux inconvénients qui viennent d'être mentionnés et qui présente notamment une structure particulièrement compacte, des jeux angulaires réduits et une plus faible inertie que dans les conceptions connues. Dans ce but, l'invention propose un dispositif du type mentionné précédemment, caractérisé en ce que l'organe générateur de déformations est un disque oscillant de contour circulaire qui est monté à force à l'intérieur de la paroi cylindrique déformable du second engrenage à laquelle il est lié en rotation et qui est maintenu dans une position précontrainte inclinée par rapport à l'axe de rotation du dispositif par un champ tournant de forces électromagnétiques, de manière à provoquer une déformation elliptique de la paroi du second engrenage qui se propage en rotation autour de l'axe du dispositif en fonction de la rotation du champ tournant, et en ce que le dispositif comporte des moyens intégrés de production du champ tournant. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le disque oscillant comporte un moyeu central sur lequel agit le champ tournant et dont le bord est relié à la surface cylindrique intérieure de la paroi déformable du second engrenage par une série de bras répartis angulairement de manière régulière - le moyeu est une plaque circulaire rigide reliée au second engrenage par une série de bras radiaux déformables élastiquement ; - la partie centrale du disque oscillant est liée en rotation à une barre précontrainte axialement et qui sollicite le disque oscillant vers une position inclinée; - la barre s'étend axialement de part et d'autre du disque oscillant et ses deux extrémités sont encastrées axialement dans des fonds opposés liés en rotation à la paroi cylindrique déformable du second engrenage - les moyens pour produire le champ tournant comportent un ensemble de bobines liées en rotation à la paroi cylindrique déformable du second engrenage, réparties régulièrement autour de l'axe du dispositif et qui sont disposées dans un champ magnétique fixe lié au disque oscillant, et un circuit d'alimentation des bobines de manière que chaque bobine applique au disque oscillant une force de déformation qui s'étend dans un plan axial et de manière que les bobines soient alimentées successivement selon une loi déterminée ; - les moyens pour produire le champ tournant comportent une série d'aimants liés au disque oscillant et répartis régulièrement autour de l'axe du dispositif pour créer un champ magnétique homogène - les bobines sont portées par un support de bobines en forme de calotte sphérique et qui est reçu entre deux couronnes parallèles d'aimants liées en rotation au disque oscillant - chaque bobine applique au disque oscillant une force sensiblement tangeante à la surface du support de bobines. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels - La figure 1 est une vue, en section par le plan axial indiqué par la ligne 1-1 de la figure 3, d'un exemple de réalisation d'un dispositif d'entraînement en rotation du type à entraînement par ondulation réalisé conformément aux enseignements de l'invention ; - la figure 2 est une vue de détail en section partielle selon la ligne 2-2 de la figure 1 - la figure 3 est une demi-vue de dessus selon la flèche F3 de la figure 1 qui illustre la structure et la forme du disque oscillant à l'état libre - la figure 4 est une vue extérieure de détail, selon la flèche F4 de la figure 1, qui illustre une portion développée de l'engrenage intérieur déformable élastiquement - la figure 5 est une vue schématique en perspective de l'un des deux supports de bobines du dispositif; - la figure 6 est une vue schématique de détail en perspective qui illustre l'une des deux couronnes d'aimants du dispositif - la figure 7 est une représentation schématique en section par un plan transversal passant par le disque oscillant du dispositif illustré aux figures 1 à 6 afin d'en illustretr le principe de fonctionnement - la figure 8 est une vue à plus grande échelle du détail D de la figure 7 - les figures 9 à 12 sont deux séries de schémas permettant également d'illustrer le principe de fonctionnement du dispositif. Le dispositif 10 illustré sur les figures 1 à 6, comporte un boîtier extérieur 12 qui est pour l'essentiel constitué par une jupe latérale cylindrique circulaire 14 dont la surface cylindrique circulaire intérieure 16 comporte une série de dents 18 de manière à constituer un premier engrenage extérieur rigide au sens de l'invention. La jupe cylindrique 14 du boîtier 12 est fermée à ses deux extrémités axiales opposées par deux brides vissées 20 et 22. Le dispositif 10 comporte également un fût intérieur 24 de forme générale cylindrique et qui est sensiblement coaxial à l'axe X-X du boîtier 12 qui constitue également l'axe de rotation du dispositif 10. Le fût 24 est constitué pour l'essentiel par une paroi latérale de forme générale cylindrique 26 qui est déformable élastiquement notamment selon la direction radiale et plus particuliérement dans sa partie verticale centrale. La jupe ou paroi déformable élastiquement 26 est constituée par un flanc de tôle découpée qui délimite une portion centrale continue 28 et des pattes déformables élastiquement 30 qui relient la partie 28 à des talons de liaison supérieurs 34 et inférieurs 36. Les pattes 30 et 32 sont réalisées par découpage de fentes 38 et 40. La surface extérieure 42 de la paroi 26, qui s'étend en regard de la surface cylindrique intérieure 16 du boîtier 12, comporte une série de dents 44 qui s'étendent axialement parallèlement aux dents 18 avec lesquelles elles sont susceptibles de venir engrener. Le nombre des dents 44 est égal au nombre des dents 18 moins 2. La paroi déformable élastiquement 26 munie de ses dents 44 constitue le second engrenage intérieur déformable élastiquement au sens de l'invention. La paroi 26 est reliée par les talons 34 et 36 à deux couvercles 46 et 48 qui s'étendent dans des plans transversaux perpendiculaires à l'axe X-X et dont chacun se prolonge vers l'extérieur du fût 24 par une bride de liaison en rotation 50, 52. Le fût 24 comportant l'engrenage déformable élastiquement 26 est monté à rotation autour de l'axe X-X par rapport au boîtier 14 comportant l'engrenage extérieur rigide 14, 18 par l'intermédiaire de deux roulements à billes 54 et 56 qui sont respectivement interposés entre les brides 20 et 22 et les couvercles 46 et 48. Conformément à l'invention, la déformation elliptique de l'engrenage déformable 26 est assurée au moyen d'un disque oscillant 58. Dans le mode de réalisation illustré sur les figures, le disque oscillant 58 comporte un moyeu central rigide 60 dont le bord périphérique circulaire 62 se prolonge radialement vers l'extérieur par une série de bras radiaux 64 déformables élastiquement. A l'état libre, comme il est illustré sur la figure 3, le moyeu central en forme de plaque 60 et les bras 64 sont coplanaires et ne sont soumis à aucun effort de précontrainte ou de précharge. Les extrémités libres 66 des bras radiaux 64 sont toutes situées sur un cercle commun C qui est illustré par un trait mixte sur la figure 3 et dont le diamètre est supérieur au diamètre intérieur de la paroi déformable élastiquement 26 du fût intérieur 24, c'est-à-dire supérieur au diamètre intérieur de sa portion centrale 28 qui, à l'état libre (c'est-à-dire en l'absence du disque oscillant 58), présente une forme cylindrique circulaire non déformée. Le disque oscillant 58 est donc conçu, conformément aux enseignements de l'invention, pour être monté à force à l'intérieur de la paroi déformable élastiquement 26, sensiblement au milieu de sa portion centrale verticale 28 et pour occuper ainsi une position dans laquelle il est soumis à des efforts de précontrainte radiale qui lui imposent d'occuper une position inclinée dans laquelle le plan général médian P du moyeu central rigide 60 est incliné par rapport à l'axe X-X comme cela est illustré notamment sur la figure 1. Il résulte de cet agencement que, en projection verticale, c'est-à-dire en regardant par exemple disque 58 selon la direction de la flèche F3, le disque incliné 58 en position montée présente un contour elliptique qui impose une déformation elliptique correspondante à la partie médiane verticale 28 de la paroi déformable élastiquement 26. Le disque oscillant 58 est sollicité en position inclinée par une barre de précontrainte 68. La barre 68 comporte un moyeu central 70 vissé dans un noyau 72 porté par le moyeu central rigide 60 du disque 58 auquel il est lié en rotation. Le moyeu central 70 de la barre 68 se prolonge verticalement, c'est-à-dire sensiblement axialement selon l'axe X-X, par deux brins opposés 74 et 76 dont les portions d'extrémité 78 et 80 sont encastrées dans des manchons de liaison 82 et 84 fixés dans des brides 86 et 88 portées par les couvercles 46 et 48. Les deux brins opposés 74 et 76 de la barre 68 sont ainsi immobilisés en rotation par rapport aux couvercles 46 et 48, et donc par rapport à la paroi déformable élastiquement 26 du fût 24, et la barre 68 est préchargée axialement de manière à provoquer une inclinaison de son moyeu 70 et du moyeu central 60 du disque oscillant 58, la barre présentant une forme générale sensiblement en S comme cela est illustré sur la figure 1. Le guidage des brins 74 et 76 de la barre de précontrainte 68 est assuré par un fourreau en deux parties 86 et 88 qui se terminent au voisinage du noyau 72 par des surfaces de portée sphérique creuses 90 et 92 qui s'étendent en regard de portions de surfaces sphériques concaves correspondantes 94 et 96 formées en regard sur le noyau 72; les portées + ériques 90 et 92 et les parties concaves 94 et 96 réalisert une sutée de protection cotre les vibra tions longitudinales et les chocs; en fonctionnement normal, elles ne sont pas en contact. Afin de provoquer une rotation de la déformation elliptique de la paroi 26 déformable élastiquement de l'engrenage intérieur, le dispositif 10 comporte des moyens 100 pour produire un champ tournant de forces électromagnétiques qui provoquent une rotation du plan d'inclinaison du moyeu central 60 du disque oscillant 58. Comme on peut le constater sur la figure 1, le dispositif 10 présente une symétrie de conception par rapport à un plan transversal médian passant par le centre 0 du disque 58 et il en est donc de même pour les moyens 100 qui sont comportent notamment deux supports 102 et 104 en forme de calottes sphériques. On décrira maintenant en détail la conception du support supérieur 102 qui est notamment illustré à la figure 5. Le support 102 comporte une paroi pleine 106 en forme de calotte sphérique percée d'une série de n x 4 ouvertures 108 de forme générale triangulaire dont chacune est entourée par une bobine 110 reliée à des moyens d'alimentation en courant (non représentés). La paroi pleine 106 est fixée à la bride 86 et donc au couvercle 46 et au fût 24 auxquels le support 102 de bobines 110 est également lié en rotation. Les moyens 100 comportent également deux séries 112 et 114 d'aimants qui coopèrent avec les bobines portées par les supports 102 et 104. Comme on peut le voir sur la figure 1, et sur la figure 6 dans le cas de la série d'aimants 112, chaque série est constituée par deux parois parallèles 116 et 118 en forme de tronçons de sphères creuses parallèles dont chacune porte, à l'intérieur, une série d'aimants 120, 122. Les aimants en vis-à-vis 120 et 122 délimitent un entrefer annulaire sphérique 124 dans lequel peut être reçu le support de bobine 102. Les parois 116 et 118 qui portent les aimants 120 et 122 sont reliées de manière rigide au moyeu central 60 du disque oscillant 58 par des plaques coniques 126 et la géométrie des différents composants est telle que le disque 58 peut osciller librement autour du centre O sans que ses mouvements de déformation soient empêchés par les supports de bobines 102 et 104 qui se déplacent librement dans les entrefers 124. Les moyens 100 qui constituent le moteur du dispositif selon l'invention sont donc deux moteurs force constitués par deux séries de bobines agencées sur des portions de sphères et qui sont placées respectivement dans des champs magnétiques créés par les deux couronnes d'aimants. Le moteur au sens de l'invention ne provoque donc pas de rotation du disque au sens mécanique du terme mais seulement une oscillation de son inclinaison par dé forma- tion de celui-ci. Le moteur ne comporte donc aucun roulement ni palier susceptible de créer des jeux des frottements ou de l'usure, mais seulement des pièces déformables élastiquement~ liées rigidement entre elles. L'ensemble constitué par le fût 24 avec sa paroi déformable élastiquement 26, le disque oscillant 58 avec son moyeu 60, la barre de précontrainte 68 et les séries d'aimants 120 et 122 forment un tout qui est mobile en rotation par rapport au boîtier extérieur 12 qui porte l'engrenage circulaire extérieur rigide 14, 18. Les différentes bobines sont reliées à un circuit d'alimentation en courant et de commutation de cette alimentation de manière à constituer un moteur du type sans balais à commutation électronique comportant par exemple deux bobinages en quadrature. Chaque bobine contient donc en fait deux parties (non représentées sur les figures) dont les proportions, c'est-à-dire le nombre de tours d'enroulement et le sens de bobinage, sont telles que l'on obtient une répartition angulaire de couple souhaitée, par exemple quasiment sinusoïdale. L'alimentation en courant dans une bobine crée ainsi un effort tangentiel T, c'est-à-dire orienté selon les flèches D de la figure 1 et passant sensiblement par l'axe X-X. Le dispositif comporte également des capteurs 'non représentés) de la position dans l'espace du disque oscillant 58 dont les signaux sont utilisés par le circuit de commande pour piloter la commutation de l'alimentation électrique des bobines. Il est par exemple possible d'utiliser des dispositifs de codage optique, des capteurs à effet Hall, des capteurs magnétiques du type LVDT ("Linear Variable Differential Transformer"), des jauges de contraintes sur l'engrenage déformable élastiquement ou des capteurs optiques du type comportant une diode d'émission et une photodiode de réception. On a représenté sur les figures 9 à 12 les forces résultantes opposées de motorisation FM qui agissent sur le moyeu central 60 du disque 58 pour provoquer son "inclinaison" et provoquer une rotation de cette inclinaison lorsque le couple de forces motrices FM tourne autour de l'axe X-X. On a également illustré sur les figures les forces de précontrainte FP qui imposent la déformation elliptique de l'engrenage intérieur 26 dans les bras 64 et dans la barre 68. La flèche RO indique le sens de "rotation" de l'onde de déformation tandis que la flèche RE indique le sens de rotation de l'engrenage déformable élastiquement 26 par rapport au boîtier 12. Les deux paires de figures associées 9, 10 et 11 et 12 illustrent les états de déformation du disque 58 et de l'engrenage 26 pour deux positions décalées à 90 de commutation de l'alimentation des bobines. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit. Les bobines peuvent être indifféremment fixées sur le fût 24 ou sur le boîtier 12, et ceci notamment en fonction des problèmes de refroidissement rencontrés pour les bobines. Dans le cas où les bobines sont fixées sur le boîtier 12, il y a une rotation relative réelle des bobines par rapport aux aimants, mais ce phénomène est sans impact sur le fonctionnement du dispositif du fait de la symétrie de révolution du dispositif. Il est également possible de remplacer la motorisation électromagnétique par des actionneurs du type piézoélectrique ou par des actionneurs mettant en oeuvre des principes d'électro/magnéto-striction. Les différentes conceptions mentionnées précédemment pour les capteurs nécessaires pour réaliser la commutation de l'alimentation des bobines permettent de réaliser un compromis dans leur choix, notamment en fonction de leur masse, volume, fiabilité, etc., ces capteurs devant mesurer avec suffisamment de précision la position du disque par rapport aux phases électriques du moteur, les capteurs étant donc liés mécaniquement aux bobines. REVENDICATIONS 1. Dispositif (10) d'entraînement en rotation du type à entraînement par ondulation comportant un mécanisme réducteur à engrenages qui comporte un premier engrenage (12, 14, 18), un second engrenage (24, 26, 44) possédant un nombre différent de dents (44) différent de celui (18) du premier engrenage et comportant une paroi cylindrique déformable élastiquement (26, 28), un organe générateur de déformations ayant pour fonction de déformer elliptiquement la paroi (26) du second engrenage de manière que ses dents (44) n'engrènent avec les dents (18) du premier engrenage qu'en deux positions opposées sensiblement alignées sur le grand axe de l'ellipse, et des moyens pour faire tourner simultanément lesdites deux positions en propageant ainsi une onde de déformation le long de la paroi déformable (26) du second engrenage qui provoque une rotation relative entre le second engrenage et le premier engrenage, caractérisé en ce que l'organe générateur de déformation est un disque oscillant (58, 60) de contour circulaire qui est monté à force à l'intérieur de la paroi cylindrique déformable (26, 28) du second engrenage à laquelle il est lié en rotation et qui est maintenu dans une position précontrainte inclinée (P) par rapport à l'axe (X-X) de rotation du dispositif par un champ tournant de forces électromagnétiques, de manière à provoquer une déformation elliptique de la paroi du second engrenage (26) qui se propage en rotation autour de l'axe (X-X) du dispositif (10) en fonction de la rotation du champ tournant, et en ce que le dispositif (10) comporte des moyens intégrés (100) de production du champ tournant. 2. Dispositif d'entraînement en rotation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le disque oscillant (58) comporte un moyeu central (60) sur lequel agit le champ tournant et dont le bord est relié à la surface cylindrique intérieure de la paroi déformable (26) du second engrenage par une série de bras (62) radiaux répartis angulairement de manière régulière. 3. Dispositif d'entraînement en rotation selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyeu (60) est une plaque circulaire rigide reliée au second engrenage (26) par une série de bras radiaux (62) déformables élastiquement. 4. Dispositif d'entraînement en rotation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la partie centrale du disque oscillant (60) est liée en rotation à une barre (68) précontrainte axialement et qui sollicite le disque oscillant (58) vers une position inclinée. 5. Dispositif d'entraînement en rotation selon la revendication 4, caractérisé en ce que la barre (68) s'étend axialement (74, 76) de part et d'autre du disque oscillant (58), et en ce que ses deux extrémités (78, 80) sont encastrées axialement dans des fonds opposés (46, 48) liés en rotation à la paroi cylindrique déformable (26) du second engrenage. 6. Dispositif d'entraînement en rotation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens pour produire le champ tournant comportent un ensemble de bobines (110) liées en rotation à la paroi cylindrique déformable du second engrenage (26), réparties régulièrement autour de l'axe (X-X) du dispositif et qui sont disposées dans un champ magnétique fixé lié au disque oscillant (58), et un circuit d'alimentation des bobines (110) de manière que chaque bobine (110) applique au disque oscillant (58) une force (T) qui s'étend dans un plan axial et de manière que les bobines soient alimentées successivement selon une loi déterminée. 7. Dispositif d'entraînement en rotation selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens comportent une série d'aimants (112, 120, 122) liés en rotation au disque oscillant (58) et répartis régulièrement autour de l'axe (X-x) du dispositif pour créer un champ magnétique homogène régulier. 8. Dispositif d'entraînement en rotation selon la revendication 7, caractérisé en ce que les bobines (110) sont portées par un support de bobines (102, 104) en forme de calotte sphérique et qui est reçu entre deux couronnes parallèles d'aimants (120, 122) liées en rotation au disque oscillant (58). 9. Dispositif d'entraînement en rotation selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque bobine (110) applique au disque oscillant (58) une force (T) sensiblement tangeante à la surface du support de bobines (102, 104).