Brevet FR3088398A1 — publié le 20200515

Description Titre : MECANISME DE VIS A ROULEAUX SATELLITES Domaine technique L'invention concerne le domaine des mécanismes de vis à rouleaux satellites. Technique antérieure Un mécanisme de vis à rouleaux satellites comprend typiquement une vis munie d'un filet externe, un écrou entourant coaxialement la vis et muni d'un filet interne, des rouleaux chacun muni d'un filet externe et interposé entre la vis et l'écrou de sorte que le filet externe du rouleau s'engrène dans le filet externe de la vis et le filet interne de l'écrou, chaque rouleau présentant deux extrémités munies chacune d'une denture externe. Le mécanisme présente en outre deux dentures de synchronisation coaxiales à la vis et dans lesquelles s'engrènent les dentures externes des rouleaux. Lorsque la vis tourne autour de son axe par rapport à l'écrou, les rouleaux tournent sur eux-mêmes et les dentures de synchronisation guident les rouleaux dans leurs déplacements de sorte que leurs axes longitudinaux restent parallèles à l'axe longitudinal de la vis. Le brevet européen EP 2 784 350 El divulgue un mécanisme de vis à rouleaux dont les dentures externes des rouleaux présentent, en section transversale, un diamètre extérieur inférieur ou égal à un diamètre de fond du filet externe des rouleaux, les dentures étant donc situées en-dessous des fonds des filets, ce qui évite toute interférence entre les filets et les dentures des rouleaux, mais nécessite des profils de dentures particuliers pour les adapter au diamètre réduit des extrémités des rouleaux. Dans ce mécanisme, les dentures des rouleaux s'engrènent avec des dentures internes de roues dentées 5 qui constituent les dentures de synchronisation, ces dentures internes comprenant des dents présentant, en section transversale, un flanc de profil convexe et les dentures des rouleaux comprenant des dents présentant, en section transversale, un flanc de profil concave hypo- 10 cycloïdal. Exposé de l'invention Le mécanisme du brevet EP 2 784 350 présente un rapport de conduite insuffisant au niveau de l'interface entre les dentures des rouleaux et les dentures de 15 synchronisation, le rapport de conduite caractérisant le nombre de dents en prise les unes avec les autres et devant être élevé pour indiquer une bonne répartition des charges, qui diminue les effets de fatigue sur les dents, les vibrations et le bruit. 20 Un mécanisme de vis à rouleaux satellites selon l'invention améliore le rapport de conduite à l'interface entre les dentures de rouleaux et les dentures de synchronisation dans un mécanisme évitant le phénomène d'interférence entre les filets et les dentures des 25 rouleaux. Un mécanisme de vis à rouleaux satellites selon l'invention comprend une vis munie d'un filet externe; un écrou entourant coaxialement la vis et muni d'un filet interne; des rouleaux chacun muni d'un filet externe et 30 interposé entre la vis et l'écrou de sorte que le filet externe du rouleau s'engrène dans le filet externe de la vis et le filet interne de l'écrou, chaque rouleau présentant deux extrémités munies chacune d'une denture externe, chaque denture externe présentant, en section transversale, un diamètre extérieur inférieur ou égal à un diamètre de fond du filet externe des rouleaux; et deux dentures de synchronisation coaxiales à la vis et 5 dans lesquelles s'engrènent les dentures externes des rouleaux, et dans lequel lesdites dentures externes des rouleaux ont des dents avec un flanc présentant, en section transversale, un profil hypo-trochoïdal convexe et lesdites dentures de synchronisation ont des dents 10 avec un flanc présentant, en section transversale, un profil hypo-trochoïdal ou un profil épi-trochoïdal. Dans un tel mécanisme, basé sur des profils hypotrochoïdaux, le rapport de conduite est amélioré par rapport au cas où les dentures des rouleaux ont des dents 15 de profil hypo-cycloïdal concave en augmentant le temps où, au cours de la rotation d'un rouleau, au moins une dent de denture du rouleau est en contact avec la denture de synchronisation correspondante, en d'autres termes, en augmentant l'angle balayé par une dent du rouleau entre 20 le début et la fin de son engrènement avec une dent de la denture de synchronisation. En outre, l'amélioration du rapport de conduite facilite le montage des rouleaux et donc l'assemblage du mécanisme, les rouleaux tenant mieux en place lorsqu'on 25 les positionne dans l'écrou, dans le cas d'une vis à rouleaux standard, ou sur la vis, dans le cas d'une vis à rouleaux inversée. Un autre avantage du mécanisme proposé est son application possible à des vis à rouleaux satellites, non 30 seulement pour de petites avances, mais également pour de grandes avances, permettant de produire, pour des vis à rouleaux de même conception, une gamme complète d'avances. Le mécanisme de vis à rouleaux selon l'invention peut avantageusement présenter les caractéristiques suivantes : - la vis à rouleaux peut être une vis à rouleaux 5 standard et les dentures de synchronisation peuvent être des dentures internes entourant coaxialement la vis et dont les dents ont un flanc présentant, en section transversale, un profil hypo-trochoïdal concave, - la vis à rouleaux peut être une vis à rouleaux 10 inversée et les dentures de synchronisation peuvent être des dentures externes portées par la vis et dont les dents ont un flanc présentant, en section transversale, un profil épi-trochoïdal convexe, - les profils peuvent être définis par la 15 trajectoire d'un point lié à un cercle mobile roulant sans glisser sur un cercle directeur, un rapport de la distance du point lié au centre du cercle mobile sur un rayon du cercle mobile peut être compris entre 0,1 et 0,95 ou entre 1,05 et 4, et un rapport d'un rayon du 20 cercle directeur sur un rayon du cercle mobile peut être compris entre 1 et 6, et - le rapport du rayon du cercle directeur sur le rayon du cercle mobile peut être compris entre 1,7 et 2,5. 25 L'invention peut s'étendre à un dispositif d'actionnement comprenant un mécanisme de vis à rouleaux satellites monté sur une tige et couplé à un système d'entraînement mécanique ou électromécanique. Selon l'invention, les profils dits hypo-trochoïdaux 30 ou épi-trochoïdaux comprennent des profils suivant une hypo-trochoïde ou une épi-trochoïde, respectivement, ainsi que des profils en arcs de cercles approximant une hypo-trochoïde ou épi-trochoïde, respectivement. Description sommaire des dessins La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la 5 description détaillée de modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, dans lesquels : - la figure lA représente une vue éclatée d'une vis à rouleaux satellites d'un premier mode de l'invention ; 10 les figures 1B et 1C représentent respectivement une vue longitudinale et une vue transversale d'un rouleau ; la figure 2A représente une portion d'une denture ; - les figures 2B et 2C représentent respectivement le principe de génération d'une hypo-trochoïde et une hypo- 15 trochoïde ; - la figure 2D représente un actionneur incorporant la vis à rouleaux satellite de la figure lA ; - la figure 3A représente une vue éclatée d'une vis à rouleaux satellites d'un second mode de l'invention ; et 20 les figures 3B et 3C représentent respectivement le principe de génération d'une épi-trochoïde et une épitrochoïde. Description d'un premier mode de réalisation Un premier mode de réalisation de l'invention est 25 décrit à l'aide des figures lA à 2C. Comme illustré par les figures lA à 1C, un mécanisme de vis à rouleaux satellites standard 100 selon un premier mode de réalisation comprend typiquement une vis 110, un écrou 130 disposé autour de la vis coaxialement à 30 celle-ci, et une pluralité de rouleaux 120 interposés entre la vis et l'écrou et d'axes longitudinaux parallèles à celui de la vis. La vis et les rouleaux sont munis de filetages externes 110F et 120F, respectivement, et l'écrou d'un filetage interne 130F. Les rouleaux comprennent en outre des dentures 5 externes 120D situées à leurs extrémités et, dans ce mode de réalisation particulier, des tourillons cylindriques lisses 120T prolongeant leurs extrémités. La figure 1B illustre une extrémité de rouleau, munie d'une denture externe (120D) présentant, en section 10 transversale, un diamètre extérieur (02) inférieur ou égal à un diamètre de fond (01) du filet externe (120F) des rouleaux. Les filetages des rouleaux sont destinés à entrer en prise avec les filetages de la vis et de l'écrou. 15 Un dispositif de maintien et de guidage des rouleaux comprend des porte-rouleaux 150 qui sont montés coaxialement à la vis entre celle-ci et l'écrou, avec des alésages destinés à accueillir les tourillons 120T des rouleaux 120. 20 Le dispositif de maintien comprend également deux dentures de synchronisation constituées de dentures internes 140D munies de dents 140d situées du côté de l'écrou, coaxiales à la vis et dans lesquelles s'engrènent des dents 120d des dentures externes 120D 25 situées aux extrémités respectives des rouleaux 120. Les dentures internes 140D, dans ce mode de réalisation particulier, sont montées sur deux couronnes 140 respectives fixées à l'écrou 130 au moyen de goupilles 130G, de sorte que ces dentures internes 30 suivent la périphérie interne de l'écrou et en sont solidaires. Alternativement, les couronnes pourraient être intégrées dans la masse de l'écrou, ou collées ou fixées par des vis de fixation à celui-ci. Les filetages des rouleaux ont un angle d'hélice 5 correspondant à celui de l'écrou, de sorte que lorsque la vis est en rotation autour de son axe longitudinal L par rapport à l'écrou, les rouleaux, maintenus par les porte-rouleaux, tournent sur eux-mêmes en se déplaçant en rotation le long de la périphérie interne de l'écrou tout 10 en restant axialement fixes par rapport à celui-ci, l'écrou étant entraîné dans un mouvement de translation. Les dentures 120D des rouleaux 120 s'engrènent dans les dentures 140D des couronnes 140, les rouleaux sont ainsi guidés par ces dentures, qui assurent le 15 parallélisme des rouleaux avec la vis et la régularité de leur déplacement dans l'écrou. La figure 2A illustre de manière générique une denture D constituée de sommets Ds de dents Dd, de zones de raccord Dr raccordant deux dents Dd contigües au 20 niveau de leurs bases, et de flancs Df de dents chacun liant un sommet Ds à une zone de raccord Dr ; cette constitution s'applique aussi bien aux dentures externes qu'aux dentures internes. Les sommets Ds et les zones de raccords Dr ne sont 25 pas prévus pour entrer en contact avec d'autres éléments, de sorte qu'ils peuvent avoir des géométries quelconques, tant qu'ils n'interfèrent pas avec le fonctionnement de la vis à rouleaux. En revanche, les flancs Df des dentures des rouleaux 30 sont destinés à entrer en contact mécanique direct avec les flancs des dentures de synchronisation et, selon l'invention, les dentures des rouleaux ont des flancs de dents qui présentent, en section transversale, un profil hypo-trochoïdal convexe, tandis que les dentures de synchronisation ont des flancs de dents qui peuvent présenter, en section transversale, un profil droit ou concave, mais qui présentent de préférence un profil 5 hypo-trochoïdal concave. Les profils des flancs des dentures sont définis par des trochoïdes, les sommets Ds et les zones de raccords Dr correspondent à des emplacements de ces trochoïdes qui sont tronqués de manière à ne pas interférer avec le 10 fonctionnement de la vis à rouleaux. Un profil hypo-trochoïdal est un profil qui suit une hypo-trochoïde, telle l'hypo-trochoïde HT illustrée par la figure 2C, c'est-à-dire une courbe générée par la trajectoire d'un point P lié à un cercle mobile CM de 15 rayon r roulant sans glisser sur, et intérieurement à, un cercle directeur CD de rayon R selon une rotation Rot, le cercle mobile étant plus petit que le cercle directeur, comme illustré par la figure 2B. L'hypo-trochoïde générée comme expliqué ci-dessus 20 peut être définie par les équations suivantes : pc(0) = r (k - cos( + a X rcos((k - 1)(1) y(6)) = r (k - 1) sin(60 -a x r sin((k - 1)0 avec (x(8),y(e) ) donnant les coordonnées d'un point M de la courbe hypo-trochoïdale HT, û étant un paramètre angulaire compris entre les valeurs eV,' et Orna., e un paramètre représentant le rapport de la distance d du 25 point P au centre du cercle mobile CM sur le rayon r de ce cercle mobile, et le paramètre k valant R/r. Pour les dentures des rouleaux, les valeurs de k valent kr7, et sont de préférence comprises entre 1 et 6, plus préférablement entre 1,7 et 2,5, et encore plus 30 préférablement entre 1,85 et 2,25, ou bien dans les plages précédentes ayant leurs bornes supérieures limitées à 2, tandis que les valeurs du paramètre a sont comprises entre 0,1 et 0,95 ou entre 1,05 et 4, bornes comprises. Pour un mécanisme donné selon l'invention, deux 5 courbes hypo-trochoïdales définissant, respectivement, le profil des dents des rouleaux et le profil des dents des dentures de synchronisation internes ont un paramètre e commun, mais des paramètres k, knix et keor respectivement, qui peuvent être distincts et définis par le praticien, 10 avec heu, étant lié à la valeur 'cri, par la relation suivante : kecr = krucX (Necr/Nrill) OÙ Mec, et ALI,: sont, respectivement, le nombre de filets sur l'écrou et le nombre de filets sur les rouleaux, leur rapport étant compris entre 3 et 10, bornes comprises. 15 Un avantage des profils trochoïdaux, hypo- trochoïdaux ici, avec le paramètre e s'écartant de la valeur 1, est leur adaptabilité à toutes les configurations de dentures de synchronisation, grâce à la possibilité d'ajuster les deux paramètres e et k,L, et 20 d'utiliser des valeurs proches de 2 pour le paramètre kr,, ce dernier point menant à des dents de hauteurs suffisamment élevées pour permettre d'obtenir des rapports de conduite élevés traduisant une bonne fluidité du mouvement d'engrènement des dentures. 25 Description d'un second mode de réalisation Un second mode de réalisation de l'invention est décrit à l'aide des figures lA à 2A et 3A à 3C. Alors que le premier mode de réalisation traite d'une vis à rouleaux satellites standard 100, le second 30 mode de réalisation traite d'une vis à rouleaux satellites inversée 100' illustrée par la figure 3A, qui repose sur le même principe de fonctionnement que la vis standard, mais dont le système d'écrou est inversé, les 10 couronnes 140 étant éliminées, les dentures internes 140D de synchronisation étant remplacées par des dentures externes 110D' portées par la vis 110', et la vis 110' et l'écrou 130' étant adaptés aux modifications précédentes. 5 Les dentures externes peuvent être intégrées dans la masse de la vis, ou collées ou fixées par des vis de fixation à celle-ci. A l'exception des éléments ci-dessus, on peut se référer au premier mode de réalisation quant à la 10 structure générale d'une vis à rouleaux satellites inversée, la structure des rouleaux, et les éléments constitutifs d'une denture et leurs fonctions respectives. Dans ce second mode de réalisation, lorsque la vis 15 110' est en rotation autour de son axe longitudinal L' par rapport à l'écrou 130', les rouleaux 120' tournent sur eux-mêmes autour de la vis et se déplacent axialement dans l'écrou. Les dentures 120D des rouleaux s'engrènent dans les 20 dentures 110D' de la vis, les rouleaux sont ainsi guidés par les dentures de la vis, qui assurent le parallélisme des rouleaux avec la vis et la régularité de leur déplacement autour de la vis. Dans ce mode de réalisation, selon l'invention, les 25 dentures des rouleaux ont des flancs Df de dents qui présentent, en section transversale, un profil hypotrochoïdal convexe, tandis que les dentures de synchronisation ont des flancs Df de dents qui présentent, en section transversale, un profil convexe, 30 droit ou concave, mais de préférence un profil épitrochoïdal convexe. 11 Le cas des profils hypo-trochoïdaux a été traité dans la description du premier mode de réalisation, auquel on peut se reporter. Un profil épi-trochoïdal est un profil suivant une 5 épi-trochoïde et illustrée par la figure 3C, c'est-à-dire une courbe générée de la même manière que l'hypotrochoïde décrite précédemment, mais avec un cercle mobile CM situé à l'extérieur du cercle directeur CD, comme illustrée par la figure 3B. 10 Comme pour l'hypo-trochoïde, l'équation de l'épi- trochoïde peut s'exprimer par: (x(9) = r(k + 1) cos( 6°) - a X r cos((k 1)69 y(0) = r(k + 1) sin(9) -a X r sin((k + 1)(/) Les valeurs possibles et les valeurs préférentielles des paramètres e et kr', sont les mêmes que dans le cas du premier mode de réalisation, et le paramètre a est commun 15 au profil des dents des rouleaux et au profil des dents des dentures de synchronisation mais, dans ce second mode de réalisation, les dentures de synchronisation sont externes et ont un paramètre k valant k,,, lié à la valeur kfix par la relation suivante : 20 k,, = kr], X (N's/N,I,J où N,, et Nfix sont, respectivement, le nombre de filets sur la vis et le nombre de filets sur les rouleaux, leur rapport étant compris dans une plage allant de 1 à 10, bornes incluses. Les profils épi-trochoïdaux et hypo-trochoïdaux de 25 ce mode de réalisation apportent les mêmes avantages que les profils hypo-trochoïdaux du premier mode de réalisation, en particulier en ce qui concerne les rapports de conduite. Exemples numériques 30 Le tableau 1 ci-dessous compare les rapports de conduites d'interface entre les dentures des rouleaux et 12 les dentures de synchronisation des premier et second modes de réalisation (vis standard et vis inversée), et d'autre part pour des dentures identiques sauf en ce qui concerne les profils des dents, cycloïdaux (cas 5 particulier d'une trochoïde où le paramètre a vaut 1), pour un paramètre kr, fixé à 2. Les rapports de conduite se calculent à partir du nombre de filets de l'écrou (vis standard) ou de la vis (vis inversée), et du pas maximum, du rayon primitif et 10 du nombre de dents des rouleaux, valeurs fixées respectivement à 5, 3, 4mm, 5mm et 10 pour toutes les configurations du tableau. Il est à noter que fixer kfi, à 2 revient à choisir une valeur théorique de kfix inutilisable en pratique pour 15 le cas des cycloïdes du fait que, dans celles-ci, les épaisseurs des dents diminuent lorsque kr, se rapproche de 2 et deviennent nulles à cette valeur, mais permet une bonne comparaison avec le cas trochoïdal de l'invention sur la plage de valeurs du paramètre a du tableau : 20 cette valeur est la plus favorable pour obtenir un haut rapport de conduite dans le cas de profils cycloïdaux. Paramètre a Type vis Type denture 1,6 1,8 2,0 2,2 Inversée Trochoïdale 0,71 0,78 0,87 1,00 Cycloïdale 0,63 0,63 0,63 0,63 Standard Trochoidale 0,87 0,94 1,06 1,39 Cycloïdale 0,84 0,84 0,84 0,84 Sur l'ensemble de la gamme de valeurs considérée, les 25 rapports de conduite sont meilleurs pour les dentures de type trochoïdal que pour les dentures de type cycloïdal, et cette constatation peut se généraliser aux autres 13 valeurs du paramètre a pour peu que le nombre de dents des rouleaux soit adapté. Les dentures hypo-trochoïdales et les dentures épi- 5 trochoïdales peuvent être fabriquées par une technique d'enlèvement de matière telle que l'usinage ou la rectification, par une technique de déformation telle que le roulage, ou par une technique d'addition de matière telle que le frittage de poudre ou l'impression. 10 Un actionneur schématisé en figure 2D met à profit le mécanisme de vis à rouleaux satellites 100 décrit plus haut, solidaire d'une tige 210, qui peut être constituée par la vis 110, et couplé à un système d'entraînement mécanique ou électromécanique 220, par exemple pour 15 former un vérin mécanique, mais il est également possible d'utiliser le mécanisme 100' REVENDICATIONS1. Mécanisme (100;100') de vis à rouleaux satellites comprenant une vis (110;110') munie d'un filet externe (110F;110'F); un écrou (130;130') entourant coaxialement la vis et muni d'un filet interne (130F;130'F); des rouleaux (120) chacun muni d'un filet externe (120F) et interposé entre la vis et l'écrou de sorte que le filet externe du rouleau s'engrène dans le filet externe de la vis et le filet interne de l'écrou, chaque rouleau présentant deux extrémités munies chacune d'une denture externe (120D), chaque denture externe présentant, en section transversale, un diamètre extérieur (02) inférieur ou égal à un diamètre de fond (01) du filet externe des rouleaux; et deux dentures de synchronisation (140D;110D') coaxiales à la vis et dans lesquelles s'engrènent les dentures externes des rouleaux, caractérisé en ce que lesdites dentures externes des rouleaux ont des dents (120d) avec un flanc présentant, en section transversale, un profil hypo-trochoïdal convexe et lesdites dentures de synchronisation ont des dents (140d;140d') avec un flanc présentant, en section transversale, un profil hypo-trochoïdal ou un profil épitrochoïdal. 2. Le mécanisme de vis à rouleaux satellites selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vis à rouleaux est une vis à rouleaux standard (100) et les dentures de synchronisation sont des dentures internes entourant coaxialement la vis et dont les dents (140d) ont un flanc (Df) présentant, en section transversale, un profil hypotrochoïdal concave. 15 3. Le mécanisme de vis à rouleaux satellites selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vis à rouleaux est une vis à rouleaux inversée (100') et les dentures de synchronisation sont des dentures externes portées par la 5 vis et dont les dents (110d') ont un flanc (Df) présentant, en section transversale, un profil épitrochoïdal convexe. 4. Le mécanisme de vis à rouleaux satellites selon l'une 10 quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les profils sont définis par la trajectoire d'un point lié à un cercle mobile (CM) roulant sans glisser sur un cercle directeur (CD) , en ce qu'un rapport de la distance (d) du point lié au centre du cercle mobile sur 15 un rayon (r) du cercle mobile (CM) est compris entre 0,1 et 0,95 ou entre 1,05 et 4, et en ce qu'un rapport (k) d'un rayon (R) du cercle directeur sur un rayon (r) du cercle mobile est compris entre 1 et 6. 20 5. Le mécanisme de vis à rouleaux selon la revendication 4, caractérisé en ce que le rapport (k) du rayon (R) du cercle directeur sur le rayon (r) du cercle mobile est compris entre 1,7 et 2,5. 25 6. Dispositif d'actionnement caractérisé en ce qu'il comprend un mécanisme de vis à rouleaux satellites (100, 100') selon l'une quelconque des revendications précédentes, monté sur une tige (210) et couplé à un système d'entraînement mécanique (220).