Cet article fournira une analyse complète des boîtes de vitesses à entraînement harmonique, y compris leur introduction, leurs avantages et inconvénients, leur jeu, leurs scénarios d'application et leurs précautions d'installation.

Qu'est-ce qu'une boîte de vitesses à entraînement harmonique ?

Une boîte de vitesses à entraînement harmonique, en tant que réducteur de vitesse à engrenage flexible, a un noyau composé d'un générateur d'ondes, d'une couronne flexible et d'une couronne circulaire. La coordination précise de ces trois composants est la clé de sa transmission stable. Le générateur d'ondes, généralement de forme elliptique ou hyperbolique, est souvent connecté à l'arbre d'entrée et sert de "source d'énergie" qui induit la déformation. Les roulements à billes sur sa périphérie permettent une déformation plus fluide et réduisent l'usure des composants.

La couronne flexible est en forme de coupe ou d'anneau, généralement fabriquée en acier allié à haute résistance avec une excellente élasticité. Elle subit une déformation périodique sous l'action du générateur d'ondes. Les dents sont réparties sur sa circonférence extérieure ou intérieure, agissant comme le "pont" pour la transmission de puissance. La couronne circulaire est un composant fixe avec des dents sur sa paroi intérieure ou extérieure. Elle a 2 dents de plus (ou une différence entière spécifique) que la couronne flexible. En s'engageant avec la couronne flexible déformée, elle réalise la sortie de puissance.

Pendant le fonctionnement, la rotation du générateur d'ondes pousse la couronne flexible à se déformer, provoquant l'engagement et le désengagement séquentiel des dents des deux composants. La réduction de vitesse est obtenue grâce à la différence de dents. Les trois principaux composants remplissent chacun leur fonction, permettant une transmission à la fois haute précision et stabilité.

Quels sont les avantages de l'entraînement harmonique ?

Les boîtes de vitesses à entraînement harmonique offrent les avantages significatifs suivants :

1.  Rapport de réduction élevé :

Les rapports de réduction à un étage varient généralement de 30 à 500, tandis que les rapports multi-étages peuvent dépasser 30 000. Cela permet une réduction de vitesse significative en une seule étape, répondant aux besoins de transmission haute précision et couple élevé, adapté aux scénarios nécessitant des rapports de réduction élevés.

2.  Haute précision de transmission :

Le mécanisme d'engagement multi-dents moyenne les erreurs, avec une erreur de transmission étant seulement environ 1/4 de celle des transmissions à engrenages ordinaires. Il peut réaliser un mouvement quasi sans jeu, assurant un mouvement précis, ce qui en fait un choix idéal pour des domaines avec des exigences de précision extrêmement élevées comme les robots chirurgicaux et les équipements semi-conducteurs.

3.  Taille compacte et poids léger :

Comparé aux réducteurs traditionnels, avec le même couple de sortie, le volume peut être réduit de 2/3 et le poids de 1/2. Sa structure compacte est adaptée aux applications avec des contraintes d'espace, comme les articulations à charge légère dans les robots humanoïdes.

4.  Capacité de charge élevée :

La couronne flexible est fabriquée en matériau haute résistance, et le contact des dents est surface contre surface. Le nombre de dents simultanément engagées peut atteindre plus de 30 % du total des dents, résultant en une charge unitaire faible et permettant la transmission d'un couple relativement élevé, adapté aux scénarios à charge élevée.

5.  Efficacité de transmission élevée :

Pendant la transmission, les dents de la couronne flexible se déplacent uniformément dans la direction radiale avec une vitesse de glissement relative très faible, entraînant une usure minimale. L'efficacité peut atteindre 69 % à 96 %, maintenant une efficacité relativement élevée même à haute vitesse, réduisant la perte d'énergie.

6.  Fonctionnement fluide et faible bruit :

Les deux côtés des dents participent à l'engagement et au désengagement, résultant en aucun phénomène d'impact. Le fonctionnement produit un bruit et des vibrations minimaux, adapté aux applications sensibles au bruit.

7.  Capacité à transmettre le mouvement dans des espaces scellés :

Utilisant la nature flexible de la couronne flexible, le mouvement peut être transmis à travers des parois scellées, adapté aux équipements comme l'aérospatiale et les dispositifs médicaux qui doivent fonctionner dans des environnements clos.

Ces avantages font des boîtes de vitesses à entraînement harmonique une solution de transmission idéale pour des domaines high-tech comme la robotique, les machines-outils CNC, l'aérospatiale et les équipements médicaux.

Quels sont les inconvénients de l'entraînement harmonique ?

En tant que dispositif de transmission de précision, bien que les entraînements harmoniques offrent des avantages comme la haute précision, le rapport de réduction élevé et la taille compacte, ils ont aussi certaines limitations, y compris :

1.  Durée de vie en fatigue limitée de la couronne flexible :

La couronne flexible subit une déformation élastique périodique pendant le fonctionnement, générant des contraintes alternées. Une utilisation à long terme peut facilement conduire à une fatigue du matériau, provoquant des fissures ou même une rupture. Surtout dans les scénarios de fonctionnement à charge élevée et haute fréquence, la durée de vie de la couronne flexible peut être un facteur limitant, nécessitant un remplacement ou une maintenance régulière.

2.  Capacité de charge relativement plus faible :

Bien que les entraînements harmoniques performent bien dans les scénarios à faible couple, comparés aux réducteurs comme les réducteurs RV, leur capacité à supporter un couple élevé est plus faible. Lorsque la charge dépasse une certaine limite, une déformation excessive ou un mauvais engagement de la couronne flexible peut affecter la précision et la stabilité de la transmission. Par conséquent, ils sont plus adaptés aux applications à charge légère et haute précision.

3.  Efficacité de transmission limitée :

En raison de facteurs comme la déformation élastique de la couronne flexible et le frottement d'engagement, l'efficacité de transmission des entraînements harmoniques est généralement inférieure à celle des réducteurs planétaires ou RV, avec une perte d'énergie relativement plus élevée. Les problèmes d'efficacité peuvent devenir plus prononcés, surtout dans la transmission à haute vitesse ou haute puissance.

4.  Exigences élevées pour les conditions d'installation et de fonctionnement :

Les entraînements harmoniques ont des exigences strictes pour la précision d'installation. Une installation incorrecte (par exemple, axes désalignés, jeu excessif) peut causer une contrainte inégale sur la couronne flexible, accélérant l'usure ou les dommages. De plus, ils ont certaines exigences pour la température, l'humidité, les vibrations de l'environnement de fonctionnement, etc., ce qui peut affecter les performances et la durée de vie dans des conditions difficiles.

5.  Fluctuation instantanée du rapport de transmission :

Pour les entraînements harmoniques utilisant des générateurs d'ondes à rouleaux, le rapport de transmission instantané n'est pas strictement constant. Cela peut affecter dans une certaine mesure la fluidité et la précision de la transmission, nécessitant une attention particulière dans les applications avec des exigences de précision extrêmement élevées.

6.  Défis de dissipation thermique :

La structure interne des entraînements harmoniques est compacte, avec des conditions de dissipation thermique relativement médiocres. Un fonctionnement continu prolongé peut provoquer une augmentation de température, affectant l'efficacité de la lubrification et les performances des composants, conduisant même à des pannes. Par conséquent, la conception de la dissipation thermique nécessite une attention particulière pendant le fonctionnement à charge élevée ou à long terme.

En résumé, les entraînements harmoniques sont adaptés aux scénarios avec des exigences élevées en précision, taille et poids, mais avec des charges relativement plus faibles et des demandes moins strictes sur la durée de vie et l'efficacité, comme les articulations de robots, les instruments de précision et l'aérospatiale. Lors du choix d'un réducteur, une évaluation complète de ses avantages et inconvénients basée sur les besoins spécifiques de l'application est nécessaire.

L'entraînement harmonique a-t-il du jeu ?

Les boîtes de vitesses à entraînement harmonique peuvent réaliser un jeu quasi nul dans des conditions idéales. Cependant, dans des applications pratiques, en raison de facteurs comme la précision de fabrication, les propriétés des matériaux et l'usure, il est difficile d'atteindre un jeu absolument nul. Il y a généralement un écart extrêmement minime, mais comparé aux réducteurs traditionnels, leur jeu est significativement réduit et peut souvent être considéré comme négligeable.

Les entraînements harmoniques fonctionnent en utilisant un générateur d'ondes pour entraîner la déformation élastique de la couronne flexible, provoquant l'engagement périodique de la couronne flexible et de la couronne circulaire. La réduction de vitesse est obtenue grâce à la différence de dents. En raison de la caractéristique de déformation élastique de la couronne flexible, elle peut épouser étroitement la surface des dents de la couronne circulaire pendant l'engagement, éliminant théoriquement le jeu entre les engrenages. Cependant, dans la production réelle, des facteurs comme les erreurs d'usinage des composants, la précision d'assemblage et l'usure due à une utilisation prolongée peuvent conduire à la génération de jeu.

Quels appareils utilisent des entraînements harmoniques ?

Les boîtes de vitesses à entraînement harmonique sont principalement appliquées dans les quatre industries majeures suivantes : robots industriels, robots de service, équipements médicaux, machines-outils CNC et équipements d'automatisation.

Industrie des machines-outils :

Principalement utilisées pour les 4ème et 5ème axes des machines-outils, les fixations de machines-outils, les tourelles d'outils, etc. Les équipements de haute précision utilisent principalement des entraînements harmoniques.

Petits bras robotiques (moins de 20KG) :

Faisant référence aux bras robotiques couramment vus, plus de 50 % des réducteurs utilisés sont des entraînements harmoniques.

Robots de service domestique :

Pour les robots haut de gamme dans les services domestiques, le tri logistique, les jouets de bureau, etc., les entraînements harmoniques sont la seule et la plus efficace solution de réducteur.

Équipements médicaux :

Principalement comprend les robots médicaux, les dispositifs médicaux, les exosquelettes, les dispositifs de soins médicaux, etc. Les entraînements harmoniques sont la solution optimale pour les articulations.

Précautions d'installation pour les boîtes de vitesses à entraînement harmonique

1. Si un support de roulement est nécessaire pendant l'installation du réducteur, essayez de sélectionner des roulements avec une précision P6 et une classe de jeu C2 pour garantir la précision globale de la machine.

2. Assurez-vous que la quantité de graisse dans la cavité est supérieure à 60-70 % pour éviter une mauvaise lubrification pendant un fonctionnement prolongé.

3. L'environnement d'installation doit être propre. Évitez l'assemblage dans des environnements poussiéreux ou avec contamination particulaire. N'utilisez pas de ventilateurs dans l'atelier pendant l'installation.

4. Les outils et les fixations utilisés pendant l'installation doivent être ordonnés et ergonomiques pour éviter d'endommager le réducteur ou de créer des problèmes cachés dus à des problèmes d'outils.

5. Le personnel d'installation doit porter des gants en caoutchouc autant que possible.

6. Utilisez des chiffons industriels sans peluche pour nettoyer le réducteur ou les pièces associées pendant l'installation.

7. Lors de l'installation du réducteur avec le moteur en rotation, assurez-vous qu'il y a suffisamment de jeu pour l'ajustement concernant les dimensions de positionnement entre le réducteur et la bride de montage.

8. Pour les méthodes de serrage des vis et le couple, utilisez une clé dynamométrique.

9. Assurez-vous que les vis utilisées sont de qualité 12.9 pour garantir la fiabilité après installation.

10. Utilisez de la colle de blocage sur les vis d'installation, minimisez l'utilisation de rondelles élastiques. Pour les trous borgnes, il est recommandé d'appliquer la colle dans le trou ; pour les trous traversants, appliquez-la sur le dessus de la vis.

11. Assurez-vous d'une quantité suffisante et correctement scellée de lubrifiant/graisse pendant l'installation. Pour les installations avec la face de l'engrenage vers le haut, la cavité doit être remplie de graisse.

12. Après l'installation, effectuez un essai à 100 tr/min pour observer le bruit, les vibrations du réducteur, etc. Si des problèmes sont détectés, arrêtez immédiatement et vérifiez la cause ou contactez le personnel de notre entreprise.

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