La boîte de vitesses cyclonoïdale

En résumé, un réducteur cycloïdal est un réducteur qui utilise un mouvement cycloïdal pour effectuer sa rotation. De conception simple et efficace, il trouve des applications dans de nombreux domaines. On l'emploie fréquemment pour le déplacement de charges importantes. Il présente plusieurs avantages par rapport au réducteur planétaire, notamment sa capacité à supporter des charges et des vitesses plus élevées.

Effets dynamiques et inertiels d'une boîte de vitesses cycloïdale

Plusieurs études ont porté sur les effets dynamiques et inertiels d'un réducteur cycloïdal. Certaines se concentrent sur les principes de fonctionnement, tandis que d'autres s'intéressent au modèle mathématique du réducteur. Cet article examine le modèle mathématique d'un réducteur cycloïdal et compare ses performances à des mesures réelles. Un modèle mathématique précis est essentiel pour la conception et la commande d'un réducteur cycloïdal. Ce dernier est un réducteur à deux étages, composé d'un disque cycloïdal et d'une couronne dentée tournant sur elle-même.
Le modèle mathématique comprend plus de 1,6 million d'éléments. Chaque paire d'engrenages est représentée par un modèle réduit à 500 modes propres. La fréquence propre de l'engrenage droit est de 70 kHz. Le modèle modal réduit s'adapte bien à la boîte de vitesses cycloïdale.
Le modèle mathématique a été validé à l'aide du logiciel ABAQUS. Un disque cycloïdal a été discrétisé pour obtenir un modèle très fin, nécessitant 400 points d'éléments par dent. Sa validité a également été confirmée par une analyse statique par éléments finis (FEA). Ce modèle a ensuite été utilisé pour modéliser le frottement statique des engrenages dans tous les quadrants. Il s'agit d'une nouvelle approche pour la modélisation du frottement statique dans une boîte de vitesses cycloïdale. Les résultats obtenus sont comparables à ceux du modèle EMBS et concordent avec ceux du modèle de simulation multicorps élastique. Ce modèle reproduit fidèlement les forces de contact et l'amplitude du disque d'engrenage cycloïdal. La précision de transmission entre le disque d'engrenage cycloïdal et la couronne dentée est d'environ 98,51 TP3T, valeur inférieure à celle de la couronne dentée seule. L'erreur de transmission du modèle corrigé est d'environ 0,31 TP3T, cette moindre précision étant due à une déformation élastique plus faible sur les flancs des dents.
Il est important de noter que les forces de contact, même les plus précises, pour chaque dent d'un réducteur cycloïdal ne sont pas uniformes. La force de contact sur une seule dent commence par une augmentation linéaire, puis se termine par une chute brutale. Elle n'est pas aussi régulière que la force de contact sur un contact ponctuel, raison pour laquelle elle a été comparée à la force de contact sur un contact elliptique. Cependant, la surface de contact sur un contact elliptique reste relativement petite, et le modèle EMBS n'est pas en mesure de la reproduire.
Le modèle éléments finis (EF) du disque cycloïde comprend environ 1,6 million d'éléments. La discrétisation du disque est l'étape cruciale de ce modèle. Il est primordial de réaliser cette discrétisation avec une grande précision en raison des fortes vibrations auxquelles le disque est soumis. Une discrétisation fine est indispensable pour obtenir des résultats comparables à ceux d'une analyse statique par éléments finis (AFF). Le modèle doit être le plus précis possible afin de simuler fidèlement les forces de contact entre le disque cycloïde et la couronne dentée.

Cinématique d'un entraînement cycloïdal

À l'aide d'un système de coordonnées arbitraire, on peut observer le mouvement des composants d'une boîte de vitesses cycloïdale. On constate que le disque cycloïdal décrit un cercle autour de ses axes fixes, tandis que l'arbre suiveur tourne autour de la came excentrée. De plus, on observe que l'arbre d'entrée est monté de manière excentrée par rapport au roulement.
Nous observons également que le disque cycloïdal tourne indépendamment autour du palier excentré, tandis que l'arbre suiveur tourne autour d'un axe de symétrie. Nous pouvons en conclure que le disque cycloïdal joue un rôle essentiel dans la cinématique d'un réducteur cycloïdal.
Pour calculer le rendement du réducteur cycloïdal, nous utilisons un modèle basé sur la rigidité non linéaire des contacts. Dans ce modèle, la non-linéarité du contact est déterminée par la non-linéarité de la force et de la déformation au niveau du contact. Nous avons montré que le rendement du réducteur cycloïdal augmente avec la charge. De plus, ce rendement dépend de la vitesse de glissement et des déformations dues à la charge normale. Ces facteurs sont considérés comme les variables clés pour déterminer le rendement de la transmission cycloïdale.
Nous étudions également le rendement du réducteur cycloïdal en fonction du couple et de la vitesse d'entrée. Ce rendement se calcule en divisant le couple net dans la couronne dentée par le couple de sortie. Il est ajustable pour s'adapter aux différentes conditions de fonctionnement. Le rendement du réducteur cycloïdal augmente avec la charge.
Le réducteur cycloïdal est un réducteur à plusieurs étages comportant un petit arbre et un grand arbre. Il possède 19 dents et des rondelles en laiton. Les disques extérieurs se déplacent en opposition au disque central et sont décalés de 180°. Le disque central est deux fois plus massif que les disques extérieurs. Le disque cycloïdal comporte neuf lobes qui se déplacent d'un lobe par tour d'arbre. Le nombre de dents du disque doit être inférieur à celui des disques adjacents.
L'arbre d'entrée entraîne un palier excentrique qui transmet la puissance à l'arbre de sortie. De plus, l'arbre d'entrée applique des forces au disque cycloïdal par l'intermédiaire du palier intermédiaire. Le disque cycloïdal effectue alors une rotation de 360° par pas de pivot et de rouleau. Les axes de l'arbre de sortie se déplacent ensuite dans leurs alésages pour assurer la rotation continue de l'arbre de sortie. L'arbre d'entrée imprime un mouvement sinusoïdal à l'arbre de base afin de maintenir sa vitesse constante. Cette onde sinusoïdale induit de légers ajustements de l'arbre suiveur. Les forces appliquées aux manchons internes participent au mécanisme d'équilibrage.
De plus, on constate que la transmission cycloïdale est capable de transmettre un couple supérieur à celui de l'engrenage planétaire. Ceci est dû à la plus grande longueur axiale de la roue cycloïdale et au diamètre plus petit de l'alésage de la couronne. Un ajustement précis entre la bague fixe et le disque est également possible grâce à l'engrènement. Le disque cycloïdal est généralement conçu avec une cycloïde courte afin de minimiser les forces de balourd à haute vitesse.

Comparaison avec les réducteurs planétaires

Comparé aux réducteurs planétaires, le réducteur cycloïdal présente plusieurs avantages. Parmi ceux-ci : un faible jeu, une meilleure capacité de surcharge, une conception compacte et une grande polyvalence d'utilisation. Le réducteur cycloïdal s'est imposé sur le marché de la robotique multiaxes. Il est également de plus en plus utilisé dans les articulations primaires et les positionneurs.
Un réducteur cycloïdal est un réducteur composé de quatre éléments principaux : un disque cycloïdal, une bride de sortie, une couronne dentée et un anneau fixe. Le disque cycloïdal est entraîné par un arbre excentrique effectuant une rotation de 360° par pivotement. La bride de sortie est un disque à broches fixes qui transmet la puissance à l'arbre de sortie. L'arbre d'entrée est relié à un servomoteur.
Le réducteur cycloïdal est conçu pour maîtriser l'inertie dans des environnements très dynamiques. On le retrouve généralement en robotique et dans les positionneurs, où il sert à positionner des charges importantes. Il est également fréquemment utilisé dans de nombreuses applications industrielles. Sa densité de couple élevée et son faible jeu angulaire en font un choix idéal pour les charges lourdes.
La bride de sortie est également conçue pour supporter un couple allant jusqu'à 500 Nm. Sa vitesse de rotation est inférieure à celle d'un réducteur planétaire, mais son couple de sortie est nettement supérieur. Conçu pour être un réducteur haute performance, il convient aux applications exigeant des rapports de réduction élevés et une forte densité de couple. Le réducteur cycloïdal est également moins coûteux et présente moins de jeu. Cependant, il présente des inconvénients à prendre en compte lors de sa conception. Le principal problème réside dans les vibrations.
Comparativement aux réducteurs planétaires, les réducteurs cycloïdaux sont plus compacts et moins coûteux. De plus, ils offrent un rapport de réduction important en un seul étage. Généralement, les réducteurs cycloïdaux comportent un ou deux étages, le troisième étant plus rare. Cependant, ce type de réducteur n'est pas exclusif aux réducteurs cycloïdaux ; on trouve également fréquemment des réducteurs planétaires à un seul étage.
Il existe plusieurs types de réducteurs cycloïdaux, souvent appelés réducteurs de vitesse cycloïdaux. Ces réducteurs sont conçus pour tous les secteurs industriels utilisant des servomoteurs. Plus compacts que les réducteurs planétaires, ils présentent également un diamètre plus important pour un même couple. Certains modèles sont disponibles avec un rapport de réduction inférieur à 30:1.
Le réducteur cycloïdal est un excellent choix pour les applications exigeant des vitesses de rotation et des couples élevés. Plus compact que le réducteur planétaire, il est particulièrement adapté aux applications à couple élevé. De plus, sa robustesse accrue lui permet de supporter les chocs. Il offre également un faible jeu mécanique, ainsi qu'une précision de positionnement supérieure. On le retrouve dans de nombreux domaines, notamment la robotique industrielle.

Édité par CX le 09/05/2023