Maîtriser les engrenages planétaires : conception, impression 3D et test d'un réducteur haute performance

Introduction

Apprenez le fonctionnement d'un train épicycloïdal (planétaire), comment concevoir votre propre réducteur, l'imprimer en 3D et le tester (jeu, couple).

Un réducteur planétaire offre couple élevé, rendement élevé, compacité → utilisé en industrie, robotique, éoliennes, transmissions auto, médical, etc.

Fonctionnement d'un train planétaire

Quatre composants :

1. Soleil (sun gear) : centre, généralement entrée moteur.
2. Satellites (planet gears) : 3+ en orbite autour du soleil.
3. Couronne (ring gear) : denture intérieure, fixe l'orbite des satellites.
4. Porte-satellites (carrier) : relie les satellites, sortie habituelle.

Soleil entraîné + couronne fixe → porte-satellites tourne 5× plus lent (5:1). Inversible. Mais on peut bloquer n'importe quel élément et utiliser un autre comme entrée → rapports différents :

• Porte-satellites bloqué, soleil entrée → couronne sortie : -4:1 (inverse, 4× plus lent).
• Soleil bloqué, couronne entrée → porte-satellites sortie : 5:4 (1,25× plus lent).

Cette polyvalence est exploitée dans les boîtes auto (ex. ZF 8 vitesses) : plusieurs étages + embrayages bloquant tel ou tel élément.

Formules des rapports de transmission

Dépendent des nombres de dents (Z). Rapport max : soleil entrée, couronne fixe, porte-satellites sortie :

i = 1 + Z_couronne / Z_soleil

C'est la configuration standard pour réduction/vitesse (robotique, machines, servos).

Réducteur planétaire 16:1 imprimé 3D pour NEMA 17

Conçu sous Onshape (sponsor) : CAO cloud native, collaboration temps réel, multi-OS, version gratuite usage personnel. Compte gratuit : Onshape.pro/HowToMechatronics.

Choix de conception

• Rapport visé ~15:1 entier → deux étages nécessaires (un étage max 3:1 à 10:1).
• Deux étages 4:1 → 16:1 total.
• Formule 4:1 → Z_couronne = 3 × Z_soleil. Choisi : Z_soleil = 15, Z_couronne = 45.

Règles de conception à respecter

1. Z_couronne = Z_soleil + 2 × Z_satellite (soleil + 2 satellites rentrent dans couronne).
2. (Z_soleil + Z_couronne) / N_satellites = entier (espacement égal des satellites → forces radiales compensées, pas de battement, répartition charge équilibrée).

Avec Z_soleil=15, Z_couronne=45 → Z_satellite=15. Pas idéal pour l'usure (même dent s'engrène toujours). Mieux : nombres premiers entre eux → chaque dent engrène avec toutes les autres avant de retrouver la même. Non implémenté ici (complexifie le choix), laissé pour vidéo future.

Module des engrenages

Module = taille dents. Vouloir compacité → module minimal. Choisi 1,5 : en-dessous, l'imprimante 3D risque de mal rendre le profil → perte rendement. (Tests détaillés à venir).

Modélisation 3D du réducteur

Génération gears via FeatureScripts Onshape (Spur Gear) : module 1,5, 15 dents soleil/satellites. Option hélicoïdale (angle, sens) : deux hélicoïdaux en prise → sens opposés. Chanfrein, alésage central. Jeu (backlash) 0,1 mm dans « Profile offsets » : compense surdimension impression, sinon engrenage impossible. Valeur validée par essais.

Couronne (denture intérieure) : gear normal 45 dents → cercle diamètre souhaité → extrusion → soustraction booléenne (gear - extrusion) = denture intérieure. Devient carter (fixe). Chanfrein un côté dents pour impression sans support. Second étage : copie (Transform) + union booléenne = pièce unique. Même méthode pour porte-satellites et arbre entrée.

Conception basée sur arbres/roulements existants (projets cycloïdaux précédents) : axes 6 mm × 22 mm + bagues pour satellites. Porte-satellites supporte axes des deux côtés (plus volumineux, mais meilleures perfs).

Récapitulatif : moteur → soleil étage 1 → satellites → porte-satellites (×4 plus lent) = soleil étage 2 → satellites → porte-satellites sortie (×16 total). Couple ×16.

Modèle 3D et fichiers STL

• Fichier STEP réducteur 2 étages
• Document Onshape (copie/modification/export direct, compte gratuit requis)
• STL pour impression 3D

Impression 3D

Réglages critiques : Expansion horizontale et Expansion trous horizontale. Par défaut : cotes extérieures et trous trop petites. Mes valeurs : Expansion horizontale 0,02 mm, Expansion trous 0,04 mm. Faites vos propres essais pour votre imprimante.

Assemblage du réducteur planétaire

Pièces imprimées en couleurs distinctes : arbre entrée (or), porte-satellites étage 1 (orange), satellites (blanc), porte-satellites étage 2/sortie (bleu), couronnes/carter (gris). Tout en PLA.

Liste composants

• Tiges acier 6 mm L=22 mm ×6 Amazon/AliExpress
• Bagues 8 mm L=10 mm ×6 Amazon/AliExpress
• Roulement 25×37×7 (6805) ×2 Amazon/AliExpress
• Roulement 17×26×5 (6803) ×2 Amazon/AliExpress
• Roulement 12×21×5 (6802) ×2 Amazon/AliExpress
• Inserts filetés M3×5 mm Amazon/AliExpress
• Vis/écrous M3 Amazon/AliExpress

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Étapes d'assemblage

1. Inserts filetés M3 dans porte-satellites (deux sections à boulonner).
2. Arbres 6 mm en place pour satellites.
3. Sur chaque satellite : bague 8 mm DE × 10 mm L (gear 9 mm → 0,5 mm débordement chaque côté). Rondelles M6 des deux côtés (contact métal/métal > plastique). Idéal : roulements acceptant efforts axiaux (dents hélicoïdales), mais conception basée sur composants dispo.
4. Monter 3 satellites, refermer porte-satellites (vis M3).
5. Insérer soleil (arbre entrée) + ensemble dans carter/couronne. Porte-satellites tourne 4× plus lent.
6. Monter second étage identiquement, insérer dans carter. Sortie 16× plus lente.
7. Démonter porte-satellites pour insérer roulements support arbres soleil (ne passent pas entre satellites montés).
8. Remonter : inserts filetés carter (fixation couvercles), graissage engrenages.
9. Engrenage souple, quasi sans jeu (mesure plus loin).
10. Roulement arbre sortie + couvercle avant (vis M3).
11. Roulement arbre entrée + couvercle arrière (vis M3).

Réducteur terminé, design très propre.

Montage moteur NEMA 17

1. Plaque fixation : d'abord sur moteur, puis sur réducteur.
2. Vis sans tête dans arbre entrée (accessible via trou plaque) pour serrer arbre moteur.
3. Glisser arbre moteur dans arbre entrée, fixer plaque (4 vis M3).
4. Serrer vis sans tête via trou plaque.

Sortie 16× plus lente, très fluide.

Tests

Jeu (backlash)

Répétabilité surprenante : <1/100 mm à 10 cm. Sous effort : ~1,2 mm déplacement total. En serrant le réducteur (pas le moteur) : ~0,6 mm chaque sens.

Mesure normalisée : charge 1-2 % couple nominal. Couple max ~20 N à 10 cm → charge test 1,5 N à 10 cm. Déplacements : 0,3 mm / 0,2 mm → angle ~0,3° → ~18 minutes d'arc. Résultat impressionnant (si méthode correcte).

Couple

Lecture max ~20 N à 10 cm = 200 Ncm. Moteur seul ~28 Ncm. Augmentation ~7-8×. Rendement ~50 % (théorique 16×).

Cause probable : frottements importants (ajustement serré → bon jeu). Compromis : réduire frottements (jeu d'impression, backlash conception) → augmente jeu. Bagues au lieu de roulements à billes pénalisent aussi le rendement.

Conclusion

Très satisfait des résultats. Prochainement : comparatif réducteur planétaire 3D vs cycloïdal 3D vs harmonique 3D (bons résultats précédents), en appliquant toute l'expérience acquise pour des tests plus poussés.