Brevet FR2781271A1 — publié le 20000121

DISPOSITIF MECANIQUE DE MODIFICATION DE VITESSES ENTRE DEUX ARBRES COAXIAUX L'invention se rattache au secteur technique des réducteurs de vitesses du type à engrenages. Le problème que se propose de résoudre l'invention, est de combler la carence de réductions existant entre les réductions modestes susceptibles d'être obtenues par un système planétaire unique et les réductions importantes susceptibles d'être obtenues par d'autres systèmes faisant appel, soit à plusieurs trains en série, soit à des techniques différentielles complexes. Dans un train planétaire classique à trois satellites, il n'y a jamais 1 5 plus de trois dents en prise entre chaque satellite et la couronne, soit au maximum neuf dents pour un train à trois satellites, à condition que chaque satellite soit effectivement en contact avec la couronne, ce qui, du point de vue mécanique, est très difficile à assurer, sauf à faire appel à des artifices de fabrication. Il est donc pratiquement impossible dans un train planétaire classique à trois satellites, d'assurer à la fois le contact de toutes les dents en position d'entraînement, tant des satellites sur la couronne que du planétaire sur les satellites. Pour tenter de remédier à cet inconvénient, on utilise généralement une couronne secondaire ou un planétaire secondaire agissant à contre flan des dentures des satellites. 2 2781271 On observe également que les inévitables défauts liés aux irrégularités de taillage des dents tendent à s'amplifier dans les trains planétaires à trois satellites, notamment lorsque le nombre de dents de la couronne est un multiple exact du nombre de dents des satellites, lesquels s'usent d'autant plus vite par rapport à la couronne que leur nombre de dents est plus petit. L'invention s'est fixée pour but de remédier à ces inconvénients, de manière simple, sûre, efficace et rationnelle. Le problème que se propose de résoudre l'invention est d'obtenir une réduction (ou une multiplication) de vitesses entre deux arbres coaxiaux du type de celle généralement obtenue au moyen d'un train planétaire classique à trois satellites, afin d'obtenir un large éventail de réductions (ou de 1 5 multiplications), en n'utilisant qu'un seul engrènement de deux éléments dentés se conjuguant selon le principe d'un train hypocycloïdal. Pour résoudre un tel problème, il a été conçu et mis au point un dispositif mécanique de modification de vitesses entre deux arbres coaxiaux, l'un des arbres est solidaire d'un excentrique sur lequel tourillonne un pignon satellite engrenant avec la denture d'une couronne selon une trajectoire hypocycloidale, ledit satellite étant relié à l'autre arbre par l'intermédiaire d'un joint homocinétique. Compte tenu de ces dispositions, il en résulte que le satellite est le siège de deux mouvements conjoints, à savoir: 3 2781271 - un mouvement de giration en parcourant la couronne fixe suivant une trajectoire hypocycloidale sous la pulsion de l'excentrique, - un mouvement de rotation en tournant sur lui même, compte tenu du décalage de position angulaire résultant de son nombre de dents inférieur à celui de la couronne. A partir de cette conception de base, différentes caractéristiques techniques peuvent être mises en avant, pour obtenir différents effets et résultats techniques. Par exemple le dispositif est parfaitement réversible, ainsi - soit l'arbre solidaire de l'excentrique est porteur de la vitesse motrice et constitue l'arbre d'entrée tandis que l'autre arbre reçoit la vitesse réduite et constitue l'arbre de sortie, de sorte que l'ensemble du dispositif fait office de i 5 réducteur de vitesses; - soit l'arbre solidaire de l'excentrique est porteur de la multiplication de vitesse sous couple réduit et constitue l'arbre de sortie tandis que l'autre arbre est porteur de la puissance motrice à fort couple et faible vitesse, et constitue l'arbre d'entrée, de sorte que l'ensemble du dispositif fait office de multiplicateur de vitesses. De même, la couronne peut être assujettie à des moyens pour être rendue mobile, sa rotation s'ajoutant, ou se retranchant, selon le sens, à cette réduction ou à cette multiplication. Pour résoudre le problème posé d'équilibrer le balourd généré par la giration du satellite, une masselotte est rendue solidaire de l'excentrique. 4 2781271 Selon d'autres caractéristiques, l'élément récepteur de la vitesse réduite peut être constitué: - soit par un carter porteur de la couronne de réaction, - soit par l'arbre récepteur de la rotation du satellite via le joint homocinétique, Compte tenu de l'ensemble de ces dispositions, il en résulte que l'usure du satellite et de la couronne est très sensiblement la même. On observe également que l'engrènement entre le satellite et la couronne est très progressif, étant réparti sur un angle plus important, et annule ainsi les chocs couramment constatés dans les engrènements entre des petits satellites et une grande couronne. L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide des figures des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une forme de réalisation du dispositif de réduction de vitesses selon les caractéristiques de l'invention. - la figure 2 est une vue en coupe transversale considérée selon la ligne 2.2 de la figure 1. - la figure 3 est une vue en coupe transversale considérée selon la ligne 3.3 de la figure 1. L'exemple de montage illustré figure 1 est donné à titre indicatif nullement limitatif. 2781271 Le dispositif comprend deux arbres coaxiaux (1) et (2) montés tournant au moyen, par exemple, de roulements (3) et (4) dans un ensemble (E) constitué d'un carter (5) et d'un flasque (6) solidaire dudit carter (5), par tout moyen connu et approprié, tel que vis (7). L'arbre (1) constitue l'arbre d'entrée et est agencé pour être accouplé à un élément moteur non représenté. L'arbre d'entrée (1) est solidaire directement ou d'une manière rapportée, à son extrémité libre, opposée à son extrémité d'accouplement avec l'élément moteur, d'un excentrique (la) (figure 2). Sur l'excentrique (la) est monté tournant au moyen d'un roulement (8), un pignon denté (9) faisant office de satellite. La denture externe (9a) du satellite d'entrée (9), engrène avec une couronne dentée (10), solidaire de l'intérieur du carter (5). L'arbre moteur d'entrée (1) est solidaire d'une masselotte d'équilibrage (11) (figure 3). L'arbre (2) qui constitue l'arbre de sortie destiné à délivrer la réduction souhaitée, est accouplé au satellite d'entrée (9), au moyen d'une liaison homocinétique (12) de tout type connu et approprié. Compte tenu de ces caractéristiques, le dispositif permet un très large éventail de réduction, en n'utilisant qu'un seul engrènement des deux éléments dentés constitués par le satellite d'entrée (9) et la couronne (10), se conjuguant selon le principe d'un train hypocycloidal dans lequel le rapport de réduction est égal au nombre de fois que le satellite d'entrée doit parcourir la couronne (10), avant d'avoir fait un tour sur lui même. Le satellite d'entrée (la) est donc le siège de deux mouvements conjoints 6 2781271 - un mouvement de giration, en parcourant la couronne dentée (10) suivant une trajectoire hypocycloïidale sous la pulsion de l'excentrique (la), un mouvement de rotation en tournant sur lui même du fait du décalage de position angulaire, auquel l'astreint son nombre de dents inférieur à celui de la couronne. Si ZSE est le nombre de dents du satellite d'entrée (9) et ZCF le nombre de dents de la couronne (10), la formule de réduction RD est: ZSE RD = ZCF - ZSE Le sens de rotation du satellite d'entrée est inverse de celui de l'arbre d'entrée (1). 1 5 Il en résulte que la réduction se trouve au niveau du satellite d'entrée (9) dont l'axe de rotation est décalé par rapport à l'axe longitudinal (XX') de l'ensemble (E) et se déplace sur le cercle de ce décalage à la vitesse de rotation de l'arbre d'entrée (1). Comme indiqué, la réduction est transmise au niveau de l'arbre de sortie (2), en combinaison avec l'élément de transmission homocinétique (12) à débattement radial entre le satellite d'entrée (9) et ledit arbre de sortie (2). Compte tenu de ces dispositions, le montage précité est limité seulement par deux paramètres extrêmes qui sont: 7 2781271 - le nombre de dents maximum que peut avoir le satellite d'entrée (9) par rapport à la couronne (10), sans provoquer d'interférences d'engrènements - le nombre de dents minimum que peut avoir le satellite d'entrée (9) par rapport à la couronne sans provoquer un décalage inacceptable de l'élément de transmission homocinétique (12). On renvoie au tableau ci-après donné à titre indicatif nullement limitatif qui donne quelques exemples de montages classiques et les 1 0 réductions obtenues. Dans ce tableau: - ZSE est le nombre de dents du satellite d'entrée, - ZCF est le nombre de dents de la couronne, - M est le module, - DP est le diamètre primitif de la couronne, en millimètres - R est la réduction, - D est le décalage, exprimé en millimètres - ZSE/ZCF est le nombre de dents en contact entre le satellite d'entrée et la couronne. 8 2781271 ZSE ZCF M DP R D ZSE/ZCF 96 100 1 100 24 2 environ 9 100 1 100 19 2,5 environ 9 94 100 1 100 15,6 3 environ 9 93 100 1 100 13,3 3,5 environ 9 92 100 1 100 11,5 4 environ 9 91 100 1 100 10,1 4,5 environ 9 100 1 100 9 5 environ 9 97 101 1 101 24,25 2 9 98 102 1 102 24,50 2 9 99 103 1 103 24,75 2 10 104 1 104 25 2 10 196 200 0,5 100 49 1 19 329 333 0,3 99,9 82,25 0,6 32 Il ressort de ce tableau les résultats techniques avantageux suivant: - le dispositif comble la carence de réduction existant entre les réductions modestes susceptibles d'être obtenues par un train planétaire unique (pas plus de 8) et les réductions plus importantes qu'offrent d'autres systèmes faisant appel soit à plusieurs trains en série, soit à des techniques différentielles complexes, - le nombre de dents en prises est généralement plus grand que celui d'un train planétaire classique à trois satellites, dans lequel il n'y a jamais 9 2781271 plus de trois dents en prise entre chaque satellite et la couronne, soit au maximum 9 dents pour un train à trois satellites, à condition que chacun d'eux soit effectivement en contact avec la couronne, ce qui, du point de vue mécanique, est très difficile à obtenir. - selon l'invention, le satellite d'entrée ayant toujours un nombre de dents très légèrement inférieur à celui de la couronne, il faut un nombre de tours égal à la réduction avant qu'une dent du satellite d'entrée conjugue à nouveau le même creux de la couronne. Il en résulte que l'usure du satellite d'entrée est sensiblement la même que celle de la couronne, tandis que l'engrènement entre ledit satellite et ladite couronne est très progressif, en étant réparti sur un angle plus important ce qui annule les chocs couramment constatés dans les engrènements de petits satellites sur une grande couronne. On observe également de manière particulièrement importante, que selon l'invention, il est tout à fait possible d'obtenir mécaniquement un engrènement sans jeu entre le seul satellite d'entrée et sa couronne en caractérisant avec exactitude le décalage résultant de leur étroite conjugaison et en adaptant précisément un excentrique à ce décalage. Cette opération peut en outre être effectuée après une courte période de rodage. Si l'on considère la précision actuelle des machines outils à commande numérique atteignant des valeurs inférieures à 0,1 mm, le jeu d'engrènement entraîné par une insuffisance d'excentration de cet ordre, représente quelquess d'arcs. 2781271 On observe également que le dispositif est réversible, les fonctions arbre de sortie et arbre d'entrée pouvant parfaitement être échangées. De même, le carter (5) et par conséquent la couronne (10), peuvent être assujettis à un organe moteur de sorte que ladite couronne (10) n'est plus fixe mais mobile en rotation, laquelle rotation s'ajoute ou se retranche, selon le sens, à celle de l'arbre de sortie. Parmi les principaux avantages résultant des caractéristiques de l'invention, on peut citer: - le nombre de pièces en mouvement ne change pas, quelle que soit la réduction, - les dimensions des pièces en mouvement restent du même ordre quelle que soit la réduction, 1 5 - les pièces étant dimensionnées pour un couple donné, ce couple sera toujours disponible indépendamment de la réduction, - quelle que soit cette réduction, pour un couple de sortie donné, le volume et le poids de l'appareil ne changent pas, - la vitesse de fonctionnement des équipages mobiles est celle du moteur, indépendamment de la réduction, - l'usure et l'échauffement, pour un couple de sortie donné, sont donc, eux aussi, indépendants de la réduction, - toutes les pièces en mouvements, y compris le joint homocinétique, peuvent être équipées d'éléments roulants. Le rendement est donc excellent, - il en découle la possibilité d'utiliser l'appareil " en multiplication de vitesse " simplement en échangeant les fonctions la présence d'un canal traversant intégralement l'axe longitudinal. Parmi les applications particulièrement visées on peut citer à titre indicatif, nullement limitatif: - la traction lente (tracteurs, ponts roulants, treuils, fauteuils d'handicapés...), - la robotique de par la précision d'engrènement et la grande rigidité liée au nombre réduit de pièces en mouvement, - les asservissements de position, pour les mêmes raisons et de part la faible inertie dynamique en résultant, - les zooms de caméras, la douceur d'engrènement étant un gage de discrétion sonore, les matériels astronautiques embarqués, compte tenu de la compacité et du faible poids résultant du peu de pièces constitutives et la fiabilité qui en découle. 12 2781271 REVENDICATIONS -1 Dispositif mécanique de modification de vitesses entre deux arbres coaxiaux (1 et 2), caractérisé en ce que l'un des arbres (1) est solidaire d'un excentrique (la) sur lequel tourillonne un pignon satellite (9) engrenant avec la denture d'une couronne (10) selon une trajectoire hypocycloidale, ledit satellite (9) étant relié à l'autre arbre (2) par l'intermédiaire d'un joint homocinétique (12). -2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arbre solidaire (1) de l'excentrique (la) est porteur de la vitesse motrice et constitue l'arbre d'entrée tandis que l'autre arbre (2) reçoit la vitesse réduite et constitue l'arbre de sortie, de sorte que l'ensemble du dispositif fait office de réducteur i 5 de vitesses. -3- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arbre (1) solidaire de l'excentrique (la) est porteur de la multiplication de vitesses sous couple réduit et constitue l'arbre de sortie tandis que l'autre arbre est porteur de la puissance motrice à fort couple et faible vitesse, et constitue l'arbre d'entrée, de sorte que l'ensemble du dispositif fait office de multiplicateur de vitesse. -4- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la couronne (10) est assujettie à des moyens pour être rendue mobile, sa rotation s'ajoutant, ou se retranchant, selon le sens, à cette réduction ou cette multiplication. 13 2781271 -5- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que une masselotte (15) est rendue solidaire de l'excentrique (la) pour équilibrer le balourd généré par la giration du satellite (9). -6- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément récepteur de la vitesse réduite peut être constitué: - soit par un carter porteur de la couronne de réaction (10), - soit par l'arbre récepteur de la rotation du satellite via le joint homocinétique (12), la vitesse motrice se trouvant sur l'excentrique (1 a). -7- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément récepteur de la vitesse modifiée peut être constitué: 1 5 - soit par un carter porteur de la couronne de réaction, - soit par l'arbre récepteur de la rotation du satellite via le joint homocinétique, l'arbre porteur de l'excentrique étant bloqué et la modification de vitesse étant dans le rapport simple de la couronne (10) sur le satellite (9).