Principe de fonctionnement du réducteur à engrenages harmoniques
Heure de publication :
2025-11-14 13:56
Un réducteur à engrenages harmoniques se compose d’un pignon interne fixe, d’un pignon flexible et d’un générateur d’ondes qui provoque une déformation radiale du pignon flexible. Il s’agit d’une structure de transmission novatrice relevant de la catégorie des réducteurs à engrenages. Il exploite l’onde de déformation élastique, contrôlable, générée par le pignon flexible pour induire un désalignement relatif des dents entre celles du pignon et celles du pignon flexible, permettant ainsi la transmission de puissance et de mouvement.
Cette méthode de transmission diffère fondamentalement de la transmission par engrenages conventionnelle, présentant des caractéristiques uniques en matière de théorie du contact, de calculs d’assemblage et de conception structurelle.
Les réducteurs à engrenages harmoniques présentent des avantages tels que la haute précision et une grande capacité de charge. Par rapport aux réducteurs classiques, ils nécessitent 50 % de matériau en moins, ce qui se traduit par une réduction d’au moins un tiers du volume et du poids.
Composition et structure
Un réducteur à engrenages harmoniques se compose de trois éléments principaux : un pignon rigide fixe, un pignon flexible et un générateur d’ondes.
L’engrenage rigide fixe est un engrenage interne rigide.
L’engrenage flexible est un engrenage extérieur cylindrique à paroi mince, facilement déformable. Les deux présentent des profils de dents triangulaires (ou en développante) et un pas périphérique identique, mais l’engrenage rigide compte généralement deux dents de plus que l’engrenage flexible.
Le générateur d’ondes est constitué d’un disque elliptique et d’un roulement à billes flexible, ou d’un bras rotatif muni de galets aux deux extrémités.
En règle générale, le générateur de mouvement est l’élément moteur, l’un des engrenages flexibles ou rigides constitue l’élément mené, et l’autre est un composant fixe.
Avant l’assemblage, la roue flexible et son alésage intérieur sont circulaires. Lorsque le générateur d’ondes est inséré dans l’alésage de la roue flexible, comme la longueur du générateur d’ondes dépasse légèrement le diamètre de cet alésage, la roue flexible se déforme en une forme elliptique. Cela contraint la roue flexible à s’engager pleinement avec la roue rigide fixe selon le grand axe de l’ellipse et à se désengager complètement selon le petit axe. Les dents situées aux autres points se trouvent soit en position « engagée », soit en position « désengagée », selon la position angulaire de la roue flexible. La roue rigide étant fixe, lorsque le générateur d’ondes tourne dans le sens antihoraire, la roue flexible tourne dans le sens horaire. Au fur et à mesure que le générateur d’ondes effectue une rotation continue, les positions des grands et petits axes de la roue flexible, ainsi que ses états « engagé » et « désengagé », évoluent sans cesse. Les dents de la roue flexible passent successivement de l’état engagé à l’état désengagé, puis reviennent à l’état engagé, avant de repasser au désengagement, suivant un cycle répété d’engagement, de désengagement, d’engagement, et ainsi de suite, ce qui entraîne la rotation continue de la roue flexible.
Lorsque la roue flexible tourne sous l’action du générateur d’ondes, chaque fois qu’une de ses dents s’engrène avec une dent de la roue rigide, puis ré‑engrène avec cette même dent, la roue flexible effectue un tour complet. Pendant ce temps, le générateur d’ondes effectue plusieurs tours. Le rapport entre le nombre de tours du générateur d’ondes et le nombre de tours de la roue flexible (un tour) constitue le rapport de démultiplication du réducteur à engrenages harmoniques, d’où son fort rapport de réduction. Tout au long du mouvement, la déformation de la roue flexible dessine sur le diagramme de développement de sa circonférence une courbe sinusoïdale continue ; c’est pourquoi ce type de transmission est appelé entraînement par engrenage harmonique.
Les réducteurs à engrenages harmoniques peuvent être classés selon le nombre d’ondes mécaniques : à une onde, à deux ondes et à trois ondes, la transmission à deux ondes étant la plus courante. Dans les entraînements harmoniques, la différence du nombre de dents entre la roue rigide et la roue flexible doit être un multiple entier du nombre d’ondes mécaniques, généralement pris égal au nombre d’ondes.
Avantages :
1. Rapport de transmission élevé.
La plage de rapports de vitesse d’une transmission à engrenages harmoniques à un étage s’étend de 70 à 320, pouvant atteindre 1 000 dans certains dispositifs, tandis que les transmissions multi-étages peuvent fournir des rapports dépassant 30 000. Elle peut être utilisée aussi bien pour la réduction de vitesse que pour l’augmentation de vitesse.
2. Capacité de charge élevée.
Cela s’explique par le fait que les transmissions à engrenages harmoniques impliquent un grand nombre de dents en prise simultanée. Dans les transmissions à double onde, le nombre de dents en prise simultanée peut atteindre plus de 30 % du nombre total de dents. En outre, la flexion utilise des matériaux à haute résistance, et les dents sont en contact surfacique.
3. Haute précision de transmission.
Cela s’explique par le fait que, dans les transmissions à engrenages harmoniques, le grand nombre de dents en prise simultanément permet de moyenniser les erreurs. L’engrènement multi‑dents assure une compensation mutuelle des défauts, ce qui confère une grande précision de transmission. À grade d’exactitude d’engrenage égal, l’erreur de transmission n’est que d’environ un quart de celle des transmissions à engrenages cylindriques classiques. En outre, il est possible d’ajuster légèrement le rayon du générateur d’ondes afin d’accroître la déformation de la flexure, ce qui réduit considérablement le jeu et permet même d’obtenir un engrènement sans jeu. Par conséquent, les réducteurs à engrenages harmoniques présentent de faibles jeux de fonctionnement et sont adaptés aux rotations inverses. 4. Haute efficacité de transmission et fonctionnement fluide.
Du fait que les dents du flexspline se déplacent radialement et de manière uniforme lors de la transmission, même à des vitesses d’entrée élevées, la vitesse de glissement relative entre les dents demeure extrêmement faible (de l’ordre du centième de celle des engrenages à dentures involutes classiques). Par conséquent, l’usure des dents est minime, ce qui se traduit par un rendement élevé (69 % à 96 %). En outre, comme les deux faces de l’engrenage participent simultanément à l’engrènement et au désengrènement, il n’y a aucun choc, ce qui assure un fonctionnement particulièrement doux.
5. Structure simple, peu de pièces et installation aisée.
Avec seulement trois composants de base et des arbres d’entrée et de sortie coaxiaux, la structure est simple et l’installation est aisée.
6. Taille réduite et poids léger.
Par rapport aux réducteurs classiques, pour un même couple de sortie, le réducteur à engrenages harmoniques peut réduire son volume des deux tiers et son poids de moitié.
7. Peut transmettre le mouvement dans des espaces clos.
Grâce à la flexibilité du flexspline, cet avantage précieux des transmissions par engrenages est inégalé par les autres méthodes de transmission existantes.
Inconvénients
1. Le flexspline se déforme périodiquement, ce qui engendre des contraintes alternées et le rend sujet à la rupture par fatigue.
2. Moment d’inertie et couple de démarrage élevés, peu adaptés aux transmissions de suivi à faible puissance.
3. Ne peut pas être utilisé dans les applications dont le rapport de transmission est inférieur à 35.
4. Les réducteurs harmoniques utilisant des générateurs d’ondes à rouleaux (ondes à déformation libre) présentent des rapports de transmission instantanés non constants.
5. Faible dissipation thermique.
Applications
Les réducteurs à engrenages harmoniques sont de plus en plus largement utilisés dans l’aviation, le secteur aérospatial, l’énergie, la marine, la construction navale, les machines bioniques, les équipements militaires généraux, les machines‑outils, les instruments, les équipements électroniques, les industries minière et métallurgique, les transports, les appareils de levage, les machines pétrochimiques, les machines textiles, les machines agricoles ainsi que dans les dispositifs médicaux. Ils présentent un avantage particulier dans les systèmes d’asservissement à haute performance dynamique. La puissance transmise varie de quelques dizaines de watts à plusieurs dizaines de kilowatts, mais les entraînements à engrenages harmoniques de forte puissance sont principalement employés pour des applications de courte durée.
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Avant toute utilisation, veuillez lire attentivement le manuel d’instructions afin de comprendre le principe de fonctionnement de la réductrice de vitesse. Ajoutez de l’huile lubrifiante jusqu’au niveau indiqué dans le manuel. Après la mise en marche de l’appareil, vérifiez que tous les boulons de fixation sont bien serrés et resserrez‑les sans tarder. Gardez l’appareil propre pour éviter une mauvaise dissipation thermique. À l’issue de la période de rodage, procédez au changement de l’huile lubrifiante. En suivant ces recommandations, vous réduirez la survenue des pannes précoces, prolongerez la durée de vie de l’équipement, améliorerez l’efficacité de la production et tirerez un meilleur profit de votre réductrice de vitesse.
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