Entraînements Cycloïdaux Expliqués : Conception, Impression 3D et Test de Votre Propre Système d'Engrenages à Haut Réducteur

Dans ce tutoriel, nous allons apprendre ce qu'est un entraînement cycloïdal, comment il fonctionne, comment concevoir notre propre modèle et l'imprimer en 3D pour le voir en vrai et mieux comprendre son fonctionnement.

Vous pouvez regarder la vidéo suivante ou lire le tutoriel écrit ci-dessous.

Qu'est-ce qu'un Entraînement Cycloïdal ?

Un entraînement cycloïdal est un type unique de réducteur de vitesse qui offre un rapport de réduction très élevé avec une conception compacte mais robuste. Comparé aux entraînements par engrenages conventionnels, comme les engrenages droits et planétaires, il peut atteindre des rapports de réduction jusqu'à 10 fois supérieurs dans le même espace ou étage. De plus, il présente un jeu virtuellement nul, une capacité de charge plus élevée, une grande rigidité et un rendement élevé jusqu'à 90%. Ces propriétés rendent les entraînements cycloïdaux adaptés à de nombreuses applications où la précision de positionnement et la performance sont importantes, comme la robotique, les machines-outils, les équipements de fabrication, etc.

Regardons maintenant ce qu'il y a à l'intérieur et comment fonctionne un entraînement cycloïdal. Il est composé de cinq composants principaux : un arbre d'entrée à grande vitesse, un roulement excentrique ou came cycloïdale, deux disques cycloïdaux ou suiveurs de came, un engrenage annulaire avec goupilles et rouleaux, et un arbre de sortie à basse vitesse avec goupilles et rouleaux.

L'arbre d'entrée entraîne le roulement excentrique, qui entraîne les disques cycloïdaux autour de la circonférence interne du boîtier de l'engrenage annulaire. Le mouvement excentrique fait en sorte que les lobes des disques cycloïdaux s'engrènent avec les rouleaux de l'engrenage annulaire de manière à produire une rotation inverse à vitesse réduite.

On peut observer de plus près que le roulement excentrique pousse en fait le disque cycloïdal contre les rouleaux de l'engrenage annulaire.

En raison de la forme unique du disque et de sa position par rapport aux rouleaux de l'engrenage annulaire, on voit que, à mesure que le roulement excentrique progresse, les lobes du disque devant la rotation ne pourront pas passer ou sauter le rouleau suivant de l'engrenage annulaire, mais glisseront ou rouleront en arrière. Ce comportement est ce qui cause réellement la rotation inverse des disques.

En général, il y a un lobe cycloïdal de moins sur le disque par rapport au nombre de goupilles sur le boîtier de l'engrenage annulaire. Cela fait qu'pour une rotation complète du roulement excentrique, le disque cycloïdal ne se déplace que d'une distance d'un lobe. On voit donc que le rapport de réduction dépend uniquement du nombre de goupilles de l'engrenage annulaire.

Par exemple, ici nous avons 12 goupilles sur l'engrenage annulaire, ce qui signifie 11 lobes sur le disque cycloïdal, soit un rapport de 11:1, ou une vitesse de sortie 11 fois plus lente. La taille des disques, des rouleaux de l'engrenage annulaire ou du roulement excentrique n'affecte pas du tout le rapport de réduction.

La rotation réduite est transmise aux goupilles de l'arbre de sortie à travers les trous dans les disques cycloïdaux.

Il y a deux disques cycloïdaux, placés à 180 degrés hors phase afin de compenser les forces de déséquilibre causées par le mouvement excentrique et d'assurer un fonctionnement plus fluide à des vitesses plus élevées.

Le nom "entraînement cycloïdal" vient du profil du disque qui, à son tour, vient d'une cycloïde, mais plus sur ce sujet dans la prochaine section où nous concevrons notre propre entraînement cycloïdal.

Comment Concevoir un Entraînement Cycloïdal

Maintenant que nous savons comment fonctionne un entraînement cycloïdal, passons à la conception de notre propre modèle que nous pourrons imprimer en 3D. Si nous essayons d'imprimer cet exemple de démo, il pourrait fonctionner, mais il échouerait rapidement car le matériau d'impression 3D n'est pas assez résistant pour supporter les forces et frottements qui apparaissent dans le réducteur.

Les pièces critiques sont les rouleaux qui sont habituellement des bagues, une excellente option si les matériaux sont métalliques, mais avec du PLA, nous devrons utiliser des roulements à billes à la place.

Gardant cela à l'esprit, voici l'entraînement cycloïdal que j'ai conçu et qui utilise des roulements à billes pour les rouleaux.

Lors de la conception d'un entraînement cycloïdal, il y a quatre paramètres d'entrée principaux qui définissent sa taille et la forme des disques cycloïdaux : le rayon de l'engrenage annulaire, le rayon de ses rouleaux, le nombre de ces rouleaux, et l'excentricité.

Modèle 3D DIY d'Entraînement Cycloïdal

Voici l'entraînement cycloïdal que j'ai conçu avec SOLIDWORKS et qui utilise des roulements à billes pour les rouleaux.

À ce stade, laissez-moi saluer SOLIDWORKS pour le parrainage de ce projet. Avez-vous entendu parler de 3DEXPERIENCE World, un événement annuel organisé par SOLIDWORKS ?

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Néanmoins, vous pouvez trouver et télécharger ce modèle 3D au format STEP, ainsi que l'explorer dans votre navigateur sur Thangs :

Vous pouvez télécharger le fichier .STEP du modèle 3D depuis Thangs.

Merci à Thangs pour le soutien de ce tutoriel.

Quant aux fichiers STL pour l'impression 3D des pièces, vous pouvez les télécharger ici :

Projet Connexe

Qu'est-ce qu'un Engrenage à Onde de Déformation (Harmonic Drive) ? Un Jeu d'Engrenages Parfait pour la Robotique !?

Conception

La première chose que j'ai définie était un rapport de réduction de 15:1 pour ce réducteur, ce qui signifiait que j'avais besoin de 16 rouleaux d'engrenage annulaire. J'ai donc dessiné une esquisse dans SOLIDWORKS avec 16 rouleaux autour d'un cercle.

J'ai choisi d'utiliser des roulements pour les rouleaux avec un diamètre extérieur de 13 mm. Selon ces deux paramètres, j'ai pu définir la taille du diamètre primitif de l'engrenage annulaire. Je l'ai fixé à 90 mm. La valeur d'excentricité doit être inférieure à la moitié du diamètre du rouleau, et j'ai choisi une valeur de 1,5 mm.

Maintenant que nous avons les quatre paramètres principaux, nous pouvons dessiner la forme ou le profil du disque cycloïdal. Comme mentionné, le profil du disque provient d'une Cycloïde, qui est une courbe tracée par un point sur un cercle qui roule le long d'une ligne droite sans glisser, ou sa variante, une Épicycloïde tracée en roulant sur la circonférence d'un cercle.

Il existe une autre variante appelée Épitrochoïde, où le point de tracé est à une distance du centre du cercle extérieur, et c'est sur cela que repose réellement le profil du disque cycloïdal.

Pour tracer une telle courbe, nous pouvons utiliser ces équations paramétriques, mais il y a d'autres paramètres à inclure, comme le diamètre du rouleau et l'excentricité. Cela complique un peu les choses, mais heureusement, il existe un excellent document écrit par Omar Younis pour le blog SOLIDWORKS Education, où il combine tous ces paramètres en équations paramétriques X et Y uniques.

Voici les équations :

N - Nombre de rouleaux
Rr - Rayon du rouleau
R - Rayon du cercle primitif des rouleaux (PCD)
E - Excentricité - décalage de l'arbre d'entrée au disque cycloïdal
x = (R*cos(t))-(Rr*cos(t+arctan(sin((1-N)*t)/((R/(E*N))-cos((1-N)*t)))))-(E*cos(N*t))
y = (-R*sin(t))+(Rr*sin(t+arctan(sin((1-N)*t)/((R/(E*N))-cos((1-N)*t)))))+(E*sin(N*t))
===================
Valeurs pour cet Entraînement Cycloïdal DIY :
N = 16
Rr = 6.5
R = 45
E = 1.5
x = (45*cos(t))-(6.5*cos(t+arctan(sin((1-16)*t)/((45/(1.5*16))-cos((1-16)*t)))))-(1.5*cos(16*t))
y = (-45*sin(t))+(6.5*sin(t+arctan(sin((1-16)*t)/((45/(1.5*16))-cos((1-16)*t)))))+(1.5*sin(16*t))

Pour générer le profil, nous pouvons simplement utiliser l'outil "Courbe pilotée par équations" de SOLIDWORKS, insérer les deux équations de manière appropriée et cela générera le profil du disque cycloïdal. Bien sûr, pour les paramètres d'entrée, nous devons insérer nos valeurs.

Notez aussi que la courbe ne sera pas générée si les paramètres "t" vont de 0 à 2*pi ou 360 degrés. Il faut donc régler le paramètre t2 légèrement en dessous de 2*pi, générer la courbe avec un petit espace qu'on peut relier avec une simple spline.

Maintenant que nous avons les paramètres principaux de notre entraînement cycloïdal définis, le reste consiste à trouver des solutions techniques pour connecter le tout. Encore une fois, considérant que nous utilisons un matériau d'impression 3D pas très résistant, j'ai conçu les arbres des rouleaux pour être supportés des deux côtés, ainsi que l'arbre d'entrée et l'arbre de sortie.

L'arbre d'entrée est composé de plusieurs sections et supporté par deux roulements dans l'arbre de sortie. L'arbre de sortie est aussi supporté par deux roulements dans le boîtier.

Pour résumer le fonctionnement de ce réducteur : l'entrée du moteur est transmise à l'arbre d'entrée excentrique qui entraîne les disques cycloïdaux autour de l'engrenage annulaire.

Le mouvement inverse produit est transmis à l'arbre de sortie à travers les rouleaux de l'arbre de sortie. Et c'est tout, maintenant imprimons-le en 3D et voyons comment cela fonctionne en vrai.

Impression 3D

Lors de l'impression 3D des pièces, il est important d'utiliser la fonction "Expansion horizontale des trous" dans votre logiciel de tranchage.

Généralement, les trous des pièces imprimées en 3D sortent plus petits que la taille originale, donc avec cette fonction on peut compenser et obtenir des dimensions précises, ce qui est très important pour ces pièces. J'ai réglé le mien à 0,07 mm, et l'expansion horizontale qui compense les dimensions extérieures des pièces, à 0,02 mm. Bien sûr, vous devriez faire des impressions test pour voir quelles valeurs donnent les meilleurs résultats sur votre imprimante 3D.

Assemblage du Réducteur Cycloïdal

Voici toutes les pièces imprimées en 3D, ainsi que les roulements et boulons nécessaires pour l'assemblage.

Voici la liste de tous les composants nécessaires pour assembler cet entraînement cycloïdal :

• Roulement à billes 6x13x5mm 686-2RS – x44
• Roulement à billes 15x24x5 6802-2RS – x4
• Roulement à billes 35x47x7 6807-2RS – x2 Amazon
• Tige en acier 6x35mm
• Inserts filetés
• Boulons M3 et M4 de votre quincaillerie locale – j'inclurai une liste complète des boulons nécessaires dans quelques jours

J'ai commencé par insérer les goupilles de l'engrenage annulaire dans le boîtier. Ces goupilles accueillent les rouleaux de l'engrenage annulaire (roulements) mais ne font que 6 mm de diamètre. Je n'étais pas sûr qu'elles soient assez solides pour ne pas casser sous la charge du disque cycloïdal.

Par conséquent, je les ai rendues creuses et y ai inséré des tiges métalliques de 3 mm que j'avais sous la main. Ainsi, les goupilles seront certainement assez solides. Bien sûr, il existe des solutions plus intelligentes. Par exemple, on pourrait utiliser des boulons M6, mais ce que je n'aime pas, c'est que les boulons M6 sont légèrement plus petits que 6 mm, donc le roulement aurait du jeu. L'idéal serait d'utiliser de vraies tiges de 6 mm, facilement disponibles même avec cette taille précise de 35 mm.

Une fois toutes les goupilles en place, on peut insérer les roulements dans cet ordre : bague de distance 7 mm, roulement, bague de distance 3 mm, roulement, et autre bague de distance 7 mm.

L'entraînement cycloïdal devrait maintenant s'insérer dans cet engrenage annulaire créé, et si on essaie de faire tourner le disque avec un mouvement excentrique, en poussant sur les côtés tout en tournant, le disque devrait commencer à tourner en sens inverse.

Ensuite, on peut assembler l'arbre d'entrée qui est composé de quatre sections. Dans chaque section, il faut placer un roulement et quelques bagues de distance, et à cause de l'excentricité, on ne pourrait pas le faire si l'arbre n'était pas en sections.

Pour connecter les sections ensemble, j'utilise deux boulons M3 qui traversent toutes les sections. On note ici que les trous pour ces boulons M3 sont faits légèrement plus petits que les boulons M3 pour que le boulon fasse un filetage dedans et ait un ajustement plus serré.

Voici à quoi devrait ressembler l'arbre une fois assemblé, mais j'ai dû insérer les disques cycloïdaux aussi, ce que je ne pouvais pas faire maintenant. Je l'ai donc désassemblé et réassemblé avec les disques insérés.

J'ai continué avec l'assemblage de l'arbre de sortie. Ici, il faut installer les rouleaux de sortie (roulements), de manière similaire à ce qu'on a montré pour les rouleaux de l'engrenage annulaire. Une goupille de 6 mm, avec des roulements de 13 mm et quelques bagues de distance insérées à travers des boulons M3 de 20 mm de long.

Lors de l'insertion de ces rouleaux de sortie à travers les ouvertures du disque cycloïdal, il est important de positionner les deux disques l'un par rapport à l'autre à 180 degrés hors phase. Pour aider, j'ai fait de petits trous sur les deux disques à 180 degrés hors phase, donc il suffit de les aligner et on peut insérer les rouleaux.

Notez que c'est un ajustement serré, mais si les dimensions des trous sont précises, on pourra le faire.

Maintenant, on peut fixer ces goupilles à l'autre bride de l'autre côté, mais pour cela, il faut d'abord installer des inserts filetés dans la bride. J'utilise ces inserts filetés pour que l'assemblage soit plus compact.

Une fois l'arbre d'entrée et l'arbre de sortie assemblés ensemble, on peut installer tout cet ensemble dans le boîtier à travers un roulement de 47 mm de diamètre extérieur.

Puis on installe un autre roulement comme ceci à l'avant de l'arbre, et on insère le couvercle du boîtier en place. C'est aussi un ajustement serré car les 16 goupilles doivent s'insérer dans leurs logements du couvercle, donc il faut forcer un peu pour l'insérer.

Du côté arrière du boîtier, j'ai installé des inserts filetés M4, puis fixé le couvercle et le boîtier ensemble avec des boulons M4 de 40 mm.

Et c'est tout ! Si on peut dire, regardez cette beauté. J'aime vraiment comment ce réducteur cycloïdal s'est avéré, design épuré sans rien qui dépasse.

Test de l'Entraînement Cycloïdal

Néanmoins, maintenant, attachons un moteur et voyons comment il fonctionne. Du côté arrière de l'arbre d'entrée, j'ai installé quelques inserts filetés supplémentaires pour pouvoir fixer facilement divers accouplements d'arbre.

Pour tester le réducteur, j'utiliserai un moteur pas à pas NEMA 17, donc j'ai fixé un accouplement d'arbre imprimé en 3D approprié à l'arbre d'entrée. J'ai fixé le pas à pas sur un support de montage imprimé en 3D, inséré l'arbre du moteur dans l'accouplement et fixé le support au boîtier.

Une dernière chose : installer des inserts filetés à l'avant de l'arbre de sortie pour pouvoir y fixer des choses. Voici l'apparence finale de cet entraînement cycloïdal, en combinaison avec un moteur pas à pas NEMA 17, mais bien sûr on peut utiliser n'importe quel autre type de moteur.

Et nous y voilà. Pour être honnête, j'ai été vraiment surpris par la fluidité de la sortie de ce réducteur. De face, on voit à la fois l'arbre d'entrée et l'arbre de sortie tourner en même temps, en sens inverse et avec une différence de vitesse de 15:1.

J'ai aussi pu faire tourner le réducteur sans le couvercle avant, et ainsi on voit tout ce qui a été expliqué précédemment en action.

Le mouvement est simplement hypnotisant.

À la fin, j'ai fait quelques tests pour vérifier les performances du réducteur. Une chose à noter : cet entraînement cycloïdal est aussi rétro-entraînable, ce qui peut être une bonne caractéristique pour certaines applications.

Ici, je mesure la force que ce réducteur peut produire à une distance de 10 cm. J'ai obtenu une lecture d'environ 26 N, ce qui, converti en couple, donne environ 260 Ncm, et ce NEMA 17 de seulement 34 mm de long est évalué à 26 Ncm.

Cela signifie qu'on a obtenu une augmentation de couple d'environ 10 fois avec l'entraînement cycloïdal. C'est un rendement d'environ 66%, considérant que le rapport de réduction est de 15:1 et qu'en conditions idéales on devrait avoir 15 fois l'augmentation de couple. Néanmoins, c'est encore un excellent résultat compte tenu que tout est imprimé en 3D avec une imprimante budget et que les pièces ne sont pas aussi précises qu'avec des imprimantes pro ou des machines CNC pour un réducteur tout métal.

J'ai aussi fait des tests de précision, qui ont aussi montré de bons résultats.

J'utiliserais définitivement ce type de réducteur dans de futures vidéos pour des projets robotiques.

J'espère que vous avez apprécié cette vidéo et appris quelque chose de nouveau. Si vous avez des questions, n'hésitez pas à les poser dans les commentaires ci-dessous.