Qu'est-ce qu'un engin à ondes de contrainte

Les engrenages à ondes de contrainte sont une technologie de réduction d'engrenages moins connue, ce qui signifie que de nombreux ingénieurs et concepteurs risquent de passer à côté de leurs avantages uniques.

Sans comprendre le fonctionnement des engrenages à ondes de contrainte et leurs avantages, les projets peuvent souffrir de l’utilisation de solutions moins optimales qui sont plus volumineuses, plus lourdes, moins précises et moins efficaces.

Cet article fournit un aperçu complet des engrenages à ondes de contrainte, expliquant leurs principes de fonctionnement, leurs composants, leurs configurations et leurs principaux atouts et limites. Forts de ces connaissances, les lecteurs peuvent prendre des décisions éclairées pour savoir si les engrenages à ondes de contrainte sont le bon choix pour leurs applications.

Qu'est-ce qu'un engin à ondes de contrainte

Un engrenage à ondes de déformation, également appelé transmission harmonique, est un type unique de système d'engrenage mécanique qui utilise la déformation élastique d'un composant à paroi mince pour transmettre le couple. Cette conception innovante offre plusieurs avantages par rapport aux systèmes d'engrenages traditionnels, notamment des rapports de réduction élevés, un jeu nul et une taille compacte.

Les engrenages à ondes de contrainte ont été inventés en 1957 par CW Musser et ont depuis trouvé une large application dans la robotique, l'aérospatiale et les machines de précision. La principale caractéristique distinctive d'un engrenage à ondes de contrainte est l'utilisation d'une « cannelure flexible » qui s'adapte à un « générateur d'ondes » elliptique. Lorsque le générateur d'ondes tourne, il provoque la déformation de la cannelure flexible et son engagement avec une « cannelure circulaire » rigide, ce qui entraîne une réduction d'engrenage à rapport élevé.

Composants des engrenages à ondes de contrainte

1. Générateur de vagues:Une came elliptique avec un roulement à billes mince qui est monté sur l'arbre d'entrée à grande vitesse. Lorsque le générateur d'ondes tourne, il confère une forme elliptique en mouvement continu à la cannelure flexible.
2. Cannelure flexible:Coupelle cylindrique flexible à paroi mince avec des dents externes dont le diamètre est légèrement inférieur à celui de la cannelure circulaire. La cannelure flexible est déformée par le générateur d'ondes en une forme elliptique, ce qui fait que ses dents s'engagent avec celles de la cannelure circulaire dans deux régions opposées.
3. Spline circulaire:Une bague rigide avec des dents internes qui est montée dans le carter d'engrenage. Son diamètre est légèrement plus grand et il y a généralement deux dents de moins que la cannelure flexible.

Comment fonctionnent les engrenages à ondes de contrainte

Lorsque le générateur d'ondes tourne, la cannelure flexible se déforme pour s'engager dans la cannelure circulaire dans deux régions opposées sur l'axe principal de l'ellipse. Les dents de la cannelure flexible qui sont en engagement avec les dents de la cannelure circulaire sont soumises à une charge et déviées comme une poutre en porte-à-faux. Lorsque différentes dents de la cannelure flexible s'engagent dans la cannelure circulaire à chaque révolution, la puissance mécanique est transmise du générateur d'ondes à la cannelure flexible, puis à la cannelure circulaire.

Normalement, le générateur d'ondes est l'entrée, et la cannelure flexible ou la cannelure circulaire peut être fixée pour produire une rotation de sortie. Si la cannelure flexible est fixe, la cannelure circulaire tourne dans la même direction que le générateur d'ondes. Si la cannelure circulaire est fixe, la cannelure flexible tourne dans la direction opposée du générateur d'ondes. La différence de nombre de dents entre la cannelure flexible et la cannelure circulaire détermine le rapport de démultiplicationPour chaque rotation complète du générateur d'ondes, la cannelure flexible se déplace de deux dents par rapport à la cannelure circulaire, ce qui permet d'obtenir des rapports de réduction de vitesse élevés.

Types d'engrenages à ondes de contrainte

Type de chapeau

Dans la configuration de type chapeau, la cannelure flexible comporte une bride en forme de chapeau s'étendant à partir du cylindre denté. Cette bride permet de monter la cannelure flexible sur un boîtier ou un cadre, fournissant un support et empêchant la rotation. La conception de type chapeau est souvent utilisée dans les applications où la cannelure flexible doit être fixe et la cannelure circulaire sert de sortie.

Type de tasse

Les engrenages à ondes de contrainte de type coupelle comportent une cannelure flexible avec une extension en forme de coupelle opposée au cylindre denté. Cette coupelle s'interface avec le boîtier, permettant à la cannelure flexible de tourner et de servir d'élément de sortie. La cannelure circulaire reste fixe dans cette configuration. Les conceptions de type coupelle sont couramment utilisées lorsqu'une sortie rotative est requise.

Rapport de réduction de vitesse

L'un des principaux avantages des engrenages à ondes de déformation est leur rapport de réduction élevé dans un ensemble compact. Le rapport de réduction est déterminé par le nombre de dents sur la cannelure flexible et la cannelure circulaire.

Le rapport de réduction peut être calculé à l'aide de la formule :

Rapport = (Nc – Nf) / Nf

Où? :
Nc = Nombre de dents sur la cannelure circulaire
Nf = Nombre de dents sur la cannelure flexible

Les rapports de réduction typiques varient de 30:1 à 320:1 en un seul étage. Cette capacité de réduction élevée élimine le besoin de trains d'engrenages à plusieurs étages, ce qui se traduit par une conception plus compacte et plus efficace.

Avantages des engrenages à ondes de contrainte

1. Aucun jeu:Le mécanisme d'engrènement unique des engrenages à ondes de contrainte élimine le jeu, garantissant une précision de positionnement élevée et une transmission de mouvement fluide.
2. Compacité et légèreté:Les rapports de réduction élevés réalisables en un seul étage permettent une conception compacte et légère par rapport aux trains d'engrenages à plusieurs étages.
3. Capacité de couple élevée:Les engrenages à ondes de contrainte peuvent transmettre des couples élevés en raison de la grande surface de contact entre la cannelure flexible et les dents de la cannelure circulaire.
4. High Efficiency:Avec des rendements généralement supérieurs à 80 %, les engrenages à ondes de contrainte minimisent les pertes de puissance et génèrent moins de chaleur que les autres systèmes d'engrenages.
5. Arbres d'entrée et de sortie coaxiaux:La disposition concentrique des arbres d'entrée et de sortie simplifie la conception de la machine et économise de l'espace.
6. Ratios reconfigurables dans un boîtier standard:Différents rapports de réduction peuvent être obtenus en modifiant le nombre de dents tout en conservant les mêmes dimensions de boîtier.

Inconvénients des engrenages à ondes de contrainte

1. Flexibilité et « liquidation »:La cannelure flexible à paroi mince introduit une conformité, ce qui peut entraîner un enroulement sous charge, affectant la précision du positionnement.
2. Capacité de vitesse limitée:Les engrenages à ondes de contrainte sont généralement limités à des vitesses inférieures à 2000 XNUMX tr/min en raison de la nature flexible de la cannelure flexible.
3. Prix:La fabrication de précision et les matériaux requis pour les engrenages à ondes de contrainte les rendent plus chers que les systèmes d'engrenages conventionnels.
4. La fatigue du matériaux:La flexion répétée de la cannelure flexible peut entraîner une fatigue du matériau au fil du temps, limitant ainsi la durée de vie de l'engrenage.
5. Température de fonctionnement:Les performances et la durée de vie des engrenages à ondes de contrainte peuvent être affectées par des températures de fonctionnement extrêmes, ce qui nécessite une sélection minutieuse des matériaux et une lubrification.