Pourquoi les robots industriels et les équipements lourds privilégient-ils les réducteurs RV à double disque ?

De nombreux ingénieurs se posent la même question lorsqu’ils découvrent pour la première fois unréducteur RV : si un seul disque cycloïdal peut déjà assurer une réduction de vitesse, pourquoi les réducteurs RV utilisés dans les robots industriels sont-ils presque toujours conçus avec deux disques cycloïdaux ?

L’ajout d’un deuxième disque implique davantage de composants, un assemblage plus complexe et des coûts de fabrication plus élevés. Quelle en est donc la raison ?

La réponse peut se résumer en une phrase : le deuxième disque n’est pas principalement destiné à assurer la réduction ; il sert à améliorer la précision, la stabilité, la répartition de charge et la durée de vie.

Dans cet article, nous utilisons notre modèle d’assemblage de réducteur RV et notre simulation de mouvement pour expliquer pourquoi la configuration à deux disques est devenue l’architecture dominante pour les robots industriels, les machines-outils, les tables rotatives et d’autres systèmes de transmission de précision pour fortes charges.

Remarque : les données numériques et les images de cet article reposent sur des calculs de simulation et sont fournies à titre indicatif uniquement.

Comment fonctionne un réducteur RV ?

Un réducteur RV, ou réducteur cycloïdal à broches, possède une chaîne de transmission relativement courte.

L’arbre d’entrée entraîne un mécanisme excentrique. Ce mécanisme porte les disques cycloïdaux, qui s’engrènent avec les broches à l’intérieur du carter à broches. Le mouvement résultant est ensuite transmis à la sortie par le mécanisme de broches de sortie.

Ci-dessous figure une vue éclatée de notre modèle d’assemblage NX, comprenant le carter à broches avec 40 broches, le vilebrequin, les roulements excentriques, deux disques cycloïdaux et le disque de sortie. Chaque composant du modèle est généré directement à partir des paramètres d’ingénierie du système de transmission.

Le principe de réduction peut être résumé simplement.

Le carter à broches comporte 40 broches, tandis que le disque cycloïdal possède 39 dents. Au cours d’un tour du vilebrequin, le disque cycloïdal recule d’une position de dent. Ainsi, après 39 tours du vilebrequin, la sortie effectue un tour :

i = 39

La simulation de mouvement permet de comprendre ce processus de transmission de manière plus intuitive.

Quels sont les problèmes d’un réducteur RV à disque unique ?

Problème 1 : déséquilibre des forces radiales

Le disque cycloïdal fonctionne de manière excentrique. Sa masse excentrique tourne autour du centre, tandis que la charge d’engrènement est également concentrée dans un secteur donné.

Dans notre calcul numérique par méthode des leviers, parmi les 40 broches, 19 satisfont aux conditions de base de portance de charge, tandis qu’environ 15 broches sont effectivement chargées dans les conditions analysées.

Le calcul montre qu’environ 90 % de la charge est concentrée sur 11 broches dans un secteur de 90°, ce qui donne un coefficient de répartition de charge de :

Kγ = 1.71

Dans une configuration à disque unique, ce secteur de charge concentrée tourne avec la masse excentrique.

Il en résulte une augmentation des vibrations, du bruit et de la charge sur les roulements.

Pour les équipements à fortes charges et les articulations de robots industriels, ces effets deviennent de plus en plus importants, car le réducteur doit fonctionner de manière répétée sous un couple élevé et avec des accélérations et décélérations fréquentes.

Avantages d’un réducteur RV à deux disques

Un réducteur RV à deux disques place axialement deux disques cycloïdaux identiques dans la transmission.

Le disque A fonctionne avec l’excentricité +e, tandis que le disque B fonctionne avec l’excentricité −e. Les deux sections excentriques du vilebrequin sont donc positionnées à 180° l’une de l’autre.

Cependant, il ne suffit pas d’installer deux disques identiques décalés de 180°.

Le disque B doit également être tourné d’un angle de phase spécifique :

Δφ = −180° / zc = −180° / 39 = −4.615°

Ce détail est particulièrement important lors de la modélisation et de l’assemblage CAO.

Si un ingénieur se contente de dupliquer le premier disque cycloïdal et installe les deux disques sans différence de phase, les trous de broches ne s’aligneront pas correctement et l’effet de réduction du jeu prévu ne pourra pas être obtenu.

Le côté gauche de la comparaison ci-dessous montre la disposition de phase incorrecte de 0°, dans laquelle les trous de broches sont visiblement désalignés. Le côté droit montre la disposition de phase correcte de −4.615°.

Avantage 1 : annulation des forces d’inertie

Le disque A fonctionne à +e, tandis que le disque B fonctionne à −e.

Les masses excentriques se déplacent donc dans des directions opposées, ce qui permet à leurs forces d’inertie de premier ordre de s’annuler en grande partie.

Cela réduit les vibrations et aide le réducteur RV à fonctionner plus régulièrement.

Pour les articulations de robots industriels, il s’agit de l’un des avantages les plus directs de l’architecture à deux disques.

La réduction des vibrations peut également diminuer les charges dynamiques sur les roulements et les autres composants de transmission.

Avantage 2 : le jeu peut être réduit par précharge

Pour comprendre pourquoi la structure à deux disques peut réduire le jeu, il faut d’abord comprendre d’où provient le jeu.

Dans notre modèle, cinq sources d’erreur principales ont été converties en angle de sortie à l’aide d’un calcul fondé sur les leviers.

Dans les conditions de tolérance de l’exemple, le jeu des trous de broches de sortie représentait environ 48 % du jeu total calculé, ce qui équivalait approximativement à la contribution combinée des quatre autres sources.

Le profil de dent cycloïdale lui-même ne représentait qu’environ un quart du total.

Cela signifie qu’une grande partie du jeu provient de la chaîne de jeux, plutôt que simplement du profil de dent cycloïdale.

La différence de phase entre les deux disques cycloïdaux permet de compenser une partie de ce jeu.

En ajustant la phase, un disque peut être positionné contre un côté du jeu tandis que l’autre disque entre en contact avec le côté opposé.

Le principe est similaire au mécanisme anti-jeu d’une vis à billes à double écrou préchargé.

Cependant, il existe une plage d’ingénierie importante qui est souvent négligée.

Notre calcul donne une plage de phase d’assemblage d’environ :

ε* = 79″

Lorsque l’erreur de phase reste dans cette plage, l’effet de réduction du jeu reste efficace.

Lorsque l’erreur de phase dépasse la plage admissible, les deux disques peuvent commencer à s’opposer l’un à l’autre et se bloquer partiellement. Le jeu peut continuer à diminuer, mais le frottement et l’élévation de température augmentent simultanément.

Par conséquent, le contrôle d’acceptation des réducteurs RV à deux disques doit évaluer à la fois le jeu et le couple à vide.

L’examen d’un seul de ces paramètres peut donner une impression trompeuse de la qualité réelle de l’assemblage.

Avantage 3 : partage de charge

Les deux disques cycloïdaux offrent des chemins de charge parallèles.

Dans des conditions théoriques idéales, chaque disque supporterait environ 50 % de la charge de transmission.

Dans un réducteur réel, les tolérances de fabrication et les erreurs de phase font que la charge n’est pas répartie parfaitement.

Néanmoins, la configuration à deux disques réduit considérablement la concentration de charge.

Un plus grand nombre de dents peut participer à la transmission de charge, ce qui peut réduire les contraintes de contact et améliorer la répartition de l’usure.

Cette caractéristique de partage de charge est particulièrement précieuse dans les applications à couple élevé et à longue durée de service.

Avantage 4 : rigidité torsionnelle plus élevée

La configuration à deux disques crée un chemin de transmission parallèle supplémentaire.

Cela peut augmenter la rigidité torsionnelle effective du système de transmission et réduire le mouvement angulaire à la sortie sous charge.

Pour des applications telles que les robots de soudage, les robots de manutention, les tables rotatives industrielles et les machines-outils, la rigidité torsionnelle est particulièrement importante, car la sortie doit maintenir sa position sous des charges externes variables.

Réducteur RV à disque unique ou à deux disques

Le disque cycloïdal supplémentaire augmente le nombre de composants et la complexité de l’assemblage, mais il améliore également l’équilibrage des forces, le partage de charge, le contrôle du jeu et la rigidité torsionnelle.

Où les réducteurs RV à deux disques sont-ils utilisés ?

Les réducteurs RV à deux disques sont largement associés aux applications nécessitant un couple élevé, une grande rigidité, un positionnement précis et une fiabilité à long terme.

Les réducteurs RV HONPINE sont actuellement utilisés dans des applications comprenant des bras robotiques pour fortes charges, des positionneurs industriels, des tables rotatives industrielles et des systèmes de machines-outils.

Réducteurs RV pour robots industriels

Les articulations de robots industriels ne privilégient pas principalement l’économie du coût d’un disque cycloïdal.

Elles nécessitent une combinaison des éléments suivants :

• Haute précision de positionnement

• Grande rigidité torsionnelle

• Faible jeu

• Capacité de charge élevée

• Longue durée de vie

• Fonctionnement stable

• Haute fiabilité

L’architecture RV à deux disques ajoute de la complexité de fabrication et d’assemblage, mais offre des avantages en matière de réduction du jeu, de contrôle des vibrations, de partage de charge et de rigidité.

C’est pourquoi les réducteurs RV à deux disques cycloïdaux avec précharge de phase sont largement utilisés dans les articulations de robots industriels.

Les configurations RV à disque unique sont plus courantes dans les systèmes pédagogiques, les équipements expérimentaux ou les applications sensibles aux coûts, où les exigences de rigidité, de vibrations et de fonctionnement prolongé sous fortes charges sont moindres.

Réducteurs RV pour positionneurs industriels

Les positionneurs industriels partagent une caractéristique importante avec les articulations de robots : ils manipulent souvent de lourdes charges tandis que l’arbre de sortie est également soumis à des charges excentriques et à des moments de renversement.

Un positionneur de soudage, par exemple, doit faire tourner une pièce tout en maintenant un positionnement stable.

Si le réducteur présente un jeu excessif ou une rigidité torsionnelle insuffisante, la sortie peut subir de petits mouvements angulaires lors de l’accélération, de la décélération, de l’inversion de sens ou de l’application de charges externes issues du procédé de soudage.

Les positionneurs industriels accordent donc une attention particulière aux éléments suivants :

• Couple de sortie

• Rigidité torsionnelle

• Jeu

• Moment de renversement admissible

• Fonctionnement marche-arrêt à haute fréquence

• Durée de fonctionnement à long terme

Ce sont également des domaines dans lesquels l’architecture RV à deux disques peut offrir des avantages mécaniques importants.

Réducteurs RV pour tables rotatives industrielles

Les tables rotatives industrielles pour fortes charges, les tables rotatives robotiques, les tables de soudage et les tables de positionnement de précision imposent des exigences similaires au système de transmission.

L’exigence ne consiste pas simplement à faire tourner la table.

Le système doit faire tourner avec précision une grande charge jusqu’à la position cible et maintenir un positionnement stable après l’arrêt du mouvement.

Pour cette raison, les paramètres importants d’un réducteur RV utilisé dans une table rotative comprennent :

• Jeu

• Rigidité torsionnelle

• Capacité de charge axiale et radiale

• Moment de renversement admissible

• Couple de sortie

• Précision de positionnement

• Fiabilité de fonctionnement à long terme

Un réducteur RV à deux disques peut donc être particulièrement adapté aux applications rotatives nécessitant une charge élevée et un positionnement stable.

Pourquoi la configuration à deux disques est-elle l’architecture RV dominante ?

La fonction de réduction d’un réducteur RV provient de la transmission cycloïdale à dents et broches.

Le disque cycloïdal supplémentaire ne crée pas fondamentalement le rapport de réduction.

Sa valeur principale réside dans l’amélioration du comportement mécanique du système de transmission.

La structure à disque unique répond à la question fondamentale :

Le mécanisme peut-il assurer une réduction de vitesse ?

La structure à deux disques répond à des questions plus exigeantes :

Peut-elle réduire les vibrations, répartir la charge, contrôler le jeu, augmenter la rigidité et fonctionner de manière fiable sur une longue durée de vie ?

Cette distinction explique pourquoi les réducteurs RV à deux disques sont largement utilisés dans les robots industriels, les machines-outils, les tables rotatives pour fortes charges et d’autres applications de transmission de précision.

La faible différence de phase de −4.615° dans cet exemple est donc bien plus qu’un détail d’assemblage CAO. Elle est l’un des facteurs clés qui transforment deux disques cycloïdaux en un système de transmission de précision coordonné.