Guide de conception des réducteurs cycloïdaux

Comment fonctionne un réducteur cycloïdal

Un réducteur cycloïdal transforme une entrée rapide en une sortie lente et puissante en un seul étage. Le moteur fait tourner un excentrique, qui fait osciller un disque à lobes à l'intérieur d'une couronne de goupilles fixes. Comme le disque a un lobe de moins qu'il n'y a de goupilles, chaque tour moteur le fait reculer d'exactement un lobe.

Des goupilles de sortie traversent des trous du disque et récupèrent sa rotation lente. Résultat : rapport de réduction = nombre de goupilles − 1, et la sortie tourne en sens inverse du moteur. Avec 21 goupilles, on obtient 20:1.

Choisir le rapport, les goupilles et l'excentricité

Le rapport fixe le nombre de goupilles. Plus de goupilles demandent un cercle plus grand pour garder au moins 1 mm entre deux goupilles voisines.

L'excentricité façonne les dents. Elle doit rester inférieure au rayon du cercle de goupilles divisé par leur nombre, sinon le profil du disque se replie. Visez 60 à 90 % de cette limite : trop peu donne des dents plates qui peuvent sauter, trop donne des lobes pointus. Des goupilles épaisses pointent aussi les lobes ; Torque vous prévient à l'approche de la limite de dépouille.

Agrandir le cercle de goupilles est le moyen le plus efficace de passer plus de couple : les efforts sur les goupilles baissent avec le rayon.

Adapter votre moteur

Couple de sortie ≈ couple moteur × rapport × rendement. Utilisez le couple fourni en charge, pas le couple de maintien. Vitesse de sortie = vitesse moteur ÷ rapport.

Les moteurs pas-à-pas conviennent aux faibles vitesses et aux grands rapports. Les moteurs CC et BLDC tournent vite : un roulement à billes sur l'excentrique devient indispensable, car un palier lisse imprimé surchauffe à haute vitesse. La vérification de résistance l'indique par un roulement d'excentrique en échec.

Matériaux, impression et jeu

Le PETG est un bon choix par défaut. Le nylon et le nylon-CF résistent le mieux à l'usure et aux chocs ; le PLA est rigide mais cassant et ramollit à la chaleur. Imprimez disques, excentrique et sortie pleins (100 % de remplissage ou beaucoup de parois) : la vérification suppose des pièces pleines.

Le jeu d'impression est l'espace entre pièces mobiles. Commencez à 0,2 mm. Si l'excentrique serre trop sur l'arbre ou si les disques coincent, augmentez de 0,05 mm ; si le réducteur a trop de jeu, diminuez-le. Imprimer d'abord l'excentrique est un test d'ajustement rapide.

Roulements et quincaillerie

Les goupilles cylindriques en acier (ISO 8734) sont bon marché et bien plus solides que des goupilles imprimées : utilisez-les pour les goupilles et les goupilles de sortie dès que possible. Un roulement à billes sur chaque lobe d'excentrique réduit fortement frottement et usure ; un roulement optionnel dans le couvercle soutient la sortie.

La nomenclature du concepteur liste chaque goupille, roulement et vis avec sa taille et sa quantité.

Montage

1. Essayez l'excentrique sur l'arbre moteur.
2. Vissez le boîtier sur le moteur ; les têtes de vis se logent dans les lamages.
3. Emmanchez les goupilles dans le boîtier.
4. Enfilez l'excentrique sur l'arbre et montez ses roulements.
5. Posez les disques ; avec deux disques, tournez le second jusqu'à ce qu'il engrène.
6. Insérez la sortie pour que ses goupilles traversent les trous des disques.
7. Posez le couvercle et serrez les vis d'assemblage de façon régulière.
8. Graissez légèrement et tournez à la main : cela doit tourner sans point dur.

Lire la vérification de résistance

Pour votre couple moteur, Torque estime la pression de contact entre goupilles et disques, la flexion des goupilles et des goupilles de sortie, la charge sur le roulement d'excentrique et la torsion de l'arbre moteur, de la liaison d'arbre et de la sortie.

Chaque vérification reçoit un coefficient de sécurité : combien de fois la charge actuelle la pièce peut supporter. Vert atteint votre objectif, jaune tient mais sous l'objectif, rouge va probablement casser. Le couple nominal est le couple de sortie auquel la pièce la plus faible atteint votre objectif. Ce sont des estimations issues de formules classiques ; testez toujours un réducteur imprimé avant de vous y fier.

Exporter vers la CAO

Les fichiers STL sont prêts à trancher. Les fichiers STEP gardent de vrais cercles et s'ouvrent dans Fusion 360, SolidWorks, Onshape ou FreeCAD pour d'autres modifications. Le script Fusion 360 reconstruit tout l'assemblage en composants modifiables : dans Fusion, ouvrez Utilitaires › Scripts et compléments, ajoutez le dossier du script et cliquez sur Exécuter.

Le kit complet regroupe tout, avec la nomenclature et un README reprenant ces étapes.

Trains d'engrenages composés

Un train d'engrenages composé enchaîne des étages d'engrenages droits : un petit pignon entraîne une grande roue, solidaire du pignon suivant (une roue intermédiaire). Les rapports se multiplient : trois étages de 3:1 donnent 27:1. Chaque roue intermédiaire tourne sur un axe acier fixe.

Torque génère des engrenages en développante avec un déport automatique pour les petits pignons, afin d'éviter les dents en dépouille. Le jeu d'impression devient le jeu entre dents. Un module plus grand et une denture plus large transmettent plus de couple ; la vérification de résistance indique l'étage le plus faible.

Réducteurs planétaires

Un étage planétaire comporte un soleil au centre, trois à six satellites autour sur un porte-satellites, et une couronne à denture intérieure. Le moteur entraîne le soleil, la couronne est fixée dans le boîtier et le porte-satellites tourne lentement : le rapport vaut 1 + dents de couronne / dents du soleil, typiquement 3:1 à 10:1. Les étages empilés se multiplient : deux étages 5:1 donnent 25:1 sur un seul axe.

Tous les satellites se partagent la charge, ce qui rend les réducteurs planétaires compacts et robustes. Les satellites doivent être régulièrement espacés, donc soleil + couronne doit être divisible par le nombre de satellites ; Torque le vérifie et tourne chaque satellite dans sa position d'engrènement dans l'assemblage exporté. Chaque satellite tourne sur un axe tenu par le plateau du porte-satellites et une bague de maintien, idéalement avec un petit roulement à billes.

Couronne double pour des rapports extrêmes

Un entraînement à couronne double (Wolfrom) utilise de longs satellites qui engrènent deux couronnes : une couronne fixe et une couronne de sortie avec quelques dents de moins. Chaque tour du porte-satellites ne déplace la couronne de sortie que de la différence de dents, si bien qu'un étage atteint 50:1 à 1000:1 : rapport = (1 + couronne fixe / soleil) / (1 − couronne fixe / couronne de sortie).

La couronne de sortie est déportée pour que les deux couronnes engrènent les mêmes satellites. Le prix de ce rapport énorme est le rendement : une grande partie de la puissance circule entre les deux couronnes, comptez 30 à 60 % avec des engrenages imprimés. L'entraînement est aussi difficile à réversibiliser, ce qui est souvent bienvenu pour une articulation de robot ou un treuil.

Réducteurs à vis sans fin

Une vis sans fin est une vis sur l'arbre du moteur. Chaque tour fait avancer la roue d'une dent par filet : le rapport vaut dents de la roue / filets, typiquement de 10:1 à 80:1 en un seul étage, avec la sortie à 90° du moteur. Torque conçoit une vis à développante et une roue hélicoïdale de même angle d'hélice : les deux s'impriment à plat comme des extrusions torsadées et engrènent sans interférence.

Les dents glissent au lieu de rouler, le rendement est donc plus faible qu'avec des engrenages droits : environ 30 à 45 % avec un filet, jusqu'à 70 à 80 % avec quatre. Si l'angle d'hélice est inférieur à l'angle de frottement, le réducteur est irréversible : la charge ne peut pas faire tourner le moteur, pratique pour un levage ou un treuil. Le glissement produit de la chaleur ; Torque vérifie donc que le boîtier peut l'évacuer. Graissez bien la vis.

Quel réducteur choisir ?

Choisissez le réducteur cycloïdal pour le plus de couple dans le plus petit volume, une sortie coaxiale et les charges de choc comme dans les articulations de robot. Choisissez le train d'engrenages composé pour les pièces les plus simples, n'importe quel rapport en 1 à 4 étages et une sortie à côté du moteur. Choisissez un réducteur planétaire pour des rapports coaxiaux de 3:1 à 1000:1 : étages empilés pour un bon rendement, couronne double pour des rapports extrêmes en un seul étage compact. Choisissez une vis sans fin pour une sortie à angle droit, de 10:1 à 80:1 en un étage silencieux, et une charge qui doit se tenir seule moteur arrêté.