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Société Nouvelles
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Précision d'engrènement du profil de dent des réducteurs harmoniques : conception, vérification et atténuation des défauts
Les réducteurs harmoniques sont largement utilisés dans les domaines de la transmission de haute précision tels que les robots industriels, les machines-outils de précision, l'aérospatiale et les dispositifs médicaux en raison de leurs avantages significatifs en termes de taille compacte, grand rapport de transmission, faible jeu et fonctionnement fluide. Leurs excellentes performances de transmission et leur précision de positionnement dépendent largement d'une technologie clé : la précision d'engrènement du profil de dent. Cet article détaille les principes de conception, les méthodes de vérification, les défauts courants et les stratégies d'atténuation de la précision d'engrènement du profil de dent pour les réducteurs harmoniques, fournissant des références pour la conception et les applications pertinentes.
1. Aperçu de la conception de la précision d'engrènement du profil de dent pour les réducteurs harmoniques
1.1 Qu'est-ce que la précision d'engrènement du profil de dent ?
Dans une transmission harmonique idéale, les profils de dents de la spline flexible et de la spline circulaire devraient atteindre un engrènement sans jeu et uniforme, garantissant que le mouvement et le couple d'entrée sont transmis à l'extrémité de sortie de manière précise et fluide. Cet état est appelé "précision d'engrènement du profil de dent idéal". Cependant, en raison de facteurs tels que les erreurs d'usinage du profil de dent, les déviations d'assemblage, la déformation élastique des matériaux et les changements de température de fonctionnement, il est difficile d'atteindre un état absolument idéal dans les processus d'engrènement réels. L'objectif principal de la conception de la précision d'engrènement du profil de dent est de minimiser les problèmes tels que les jeux d'engrènement et le contact inégal grâce à une série de mesures techniques, notamment l'optimisation des paramètres du profil de dent et l'amélioration de la précision d'usinage et d'assemblage, afin d'assurer la précision de transmission, la capacité de charge et la durée de vie des réducteurs harmoniques.
1.2 Dangers d'une précision d'engrènement du profil de dent insuffisante
- Précision de transmission dégradée: Des jeux d'engrènement excessifs ou un contact inégal augmenteront le jeu, réduisant la précision de positionnement et la précision de repositionnement, ce qui ne répondra pas aux exigences de contrôle des équipements de précision.
- Capacité de charge limitée: Le contact excessif localisé sur les surfaces des dents entraîne une concentration de contraintes de contact, où une seule paire de dents supporte une charge bien supérieure à la valeur de conception, devenant le maillon faible du système de transmission et limitant l'exercice de la puissance nominale de l'ensemble de la machine.
- Augmentation des vibrations et du bruit: Un engrènement non uniforme génère un impact d'engrènement périodique et une excitation dynamique, entraînant une augmentation de l'amplitude des vibrations et du bruit pendant le fonctionnement du réducteur, affectant la stabilité et l'expérience utilisateur de l'équipement.
- Défaillance prématurée des composants: Les zones de concentration de contraintes sont sujettes à des modes de défaillance prématurée tels que l'usure de la surface des dents, le piquage, le grippage, et même la rupture des dents. Parallèlement, cela accélère les dommages par fatigue de la spline flexible, réduisant considérablement la durée de vie du réducteur.
- Performances de contrôle détériorées: La "course à vide" causée par les jeux d'engrènement entraîne une hystérésis dans la réponse du système de contrôle, réduisant les performances de suivi dynamique du système, en particulier pour le contrôle servo de haute précision.
1.3 Méthodes de conception clés pour la précision d'engrènement du profil de dent
La conception de la précision d'engrènement du profil de dent doit se concentrer sur trois aspects clés : "l'optimisation de la morphologie du profil de dent, l'amélioration de la précision de fabrication et le contrôle des déviations d'assemblage", combinés au principe spécial de la transmission harmonique (engrènement par déformation élastique de la spline flexible) pour une conception ciblée.
1. Conception d'optimisation des paramètres du profil de dent
Le type de profil de dent dans la transmission harmonique détermine directement l'effet d'engrènement. Les profils de dents courants comprennent les profils de dents évolutifs, les profils de dents à arc circulaire et les profils de dents conjugués spéciaux. Les points de conception clés sont les suivants :
- Sélection de la courbe du profil de dent: Les profils de dents évolutifs ont des processus d'usinage matures et un engrènement fluide, adaptés aux scénarios de précision moyenne et faible ; les profils de dents à arc circulaire ont de grandes surfaces de contact et une forte capacité de charge, ce qui peut disperser efficacement les contraintes de contact ; les profils de dents conjugués spéciaux (tels que les profils de dents à double arc circulaire et les profils de dents modifiés) réalisent un "contact multipoint" en calculant précisément la morphologie de la surface dentée de la spline flexible après déformation, améliorant considérablement la précision d'engrènement et l'uniformité de la charge, et constituent le choix principal pour les réducteurs harmoniques haut de gamme.
- Correspondance épaisseur de dent et module: Sélectionnez le module raisonnablement en fonction du rapport de transmission et de la taille de la charge, optimisez la conception de l'épaisseur des dents en calculant précisément la déformation de la spline flexible, assurez-vous que le taux de contact de la surface dentée entre la spline flexible et la spline circulaire après déformation n'est pas inférieur à 90 %, et contrôlez le jeu d'engrènement dans la plage de 0,01 à 0,03 mm (pour les réducteurs de précision).
- Modification de la pointe de dent et conception de l'arrondi de la trace de dent: Modifiez appropriément la pointe de dent pour éviter les interférences de la pointe de dent pendant l'engrènement ; adoptez une conception d'arrondi de la trace de dent pour compenser le possible décalage de parallélisme axial lors de l'assemblage, rendant le contact de la surface dentée plus uniforme.
2. Contrôle de la précision de fabrication
La précision de fabrication est la base pour assurer la précision d'engrènement du profil de dent, qui doit être strictement contrôlée à partir des maillons de traitement des composants clés :
- Traitement des profils de dents de la spline flexible et de la spline circulaire: Adoptez une technologie de rectification d'engrenages de haute précision pour contrôler la tolérance du profil de dent ≤ ±0,005 mm et l'erreur de pas cumulée ≤ 0,01 mm/m, en assurant une rugosité de surface dentée Ra ≤ 0,8 μm pour réduire le frottement d'engrènement et le contact inégal.
- Contrôle de précision du cylindre à paroi mince de la spline flexible: En tant que composant élastique, la circularité, la cylindricité et l'uniformité de l'épaisseur de paroi du cylindre à paroi mince de la spline flexible affectent directement le degré d'ajustement du profil de dent après déformation. Il est nécessaire de contrôler l'erreur de circularité ≤ 0,008 mm et la déviation de l'épaisseur de paroi ≤ ±0,01 mm.
- Conception de précision du générateur d'onde: La précision du profil de came du générateur d'onde détermine la morphologie de déformation de la spline flexible. Lors de l'utilisation d'un générateur d'onde de type rouleau, la tolérance du diamètre du rouleau doit être contrôlée ≤ ±0,003 mm, et l'erreur de circularité du profil de came ≤ 0,005 mm pour assurer une déformation uniforme de la spline flexible.
3. Contrôle de la précision d'assemblage
Les déviations d'assemblage des réducteurs harmoniques ont un impact significatif sur la précision d'engrènement, de sorte que des spécifications de processus d'assemblage strictes doivent être établies :
- Contrôle de l'alignement axial: Assurez la coaxialité de la spline flexible, de la spline circulaire et du générateur d'onde ≤ 0,01 mm lors de l'assemblage pour éviter un contact unilatéral de la surface dentée causé par un décalage axial.
- Réglage du jeu d'engrènement: Contrôlez précisément le jeu d'engrènement entre la spline flexible et la spline circulaire en sélectionnant des cales d'épaisseur différente, en assurant l'absence de blocage et en minimisant le jeu.
- Contrôle de la propreté: L'environnement d'assemblage doit répondre aux exigences de propreté de classe 1000 pour éviter que des impuretés n'entrent dans la surface d'engrènement et ne provoquent une usure de la surface dentée et une interférence d'engrènement.
4. Optimisation des processus de matériaux et de traitement thermique
Les performances des matériaux et la qualité du traitement thermique affectent la stabilité dimensionnelle et la résistance à la déformation des composants, qui sont essentielles pour maintenir la précision d'engrènement sur le long terme :
- Sélection des matériaux: La spline flexible est fabriquée en acier allié structurel à haute résistance avec une limite élastique élevée (tel que 40CrNiMoA, acier inoxydable 17-4PH) pour assurer aucune déformation plastique permanente après déformation ; la spline circulaire est fabriquée en acier allié à haute dureté et résistant à l'usure (tel que GCr15, 20CrMnTi) pour améliorer la résistance à l'usure de la surface dentée.
- Processus de traitement thermique: La spline flexible subit un traitement de trempe et revenu + nitruration de surface, avec une dureté contrôlée à HRC38~42 pour assurer un équilibre entre élasticité et résistance à l'usure ; la spline circulaire subit un traitement de trempe + revenu à basse température, avec une dureté contrôlée à HRC58~62 pour améliorer la capacité de charge de la surface dentée ; les composants clés doivent subir un traitement de vieillissement pour éliminer les contraintes internes et assurer la stabilité dimensionnelle.
2. Méthodes de vérification de la précision d'engrènement du profil de dent
Une fois la conception terminée, des méthodes de vérification multidimensionnelles sont nécessaires pour confirmer l'effet de la conception. Les méthodes de vérification sont divisées en calcul théorique, analyse par simulation et tests expérimentaux.
2.1 Calcul théorique — Indicateurs d'évaluation clés
Les indicateurs quantitatifs reflètent directement la précision d'engrènement du profil de dent, et les indicateurs d'évaluation clés comprennent :
1. Jeu d'engrènement (jₙ)
- Définition : Le jeu normal entre les surfaces dentées non actives lorsque la spline flexible et la spline circulaire sont en prise.
- Importance : Le jeu d'engrènement est un facteur clé affectant le jeu. Les réducteurs harmoniques de précision nécessitent jₙ ≤ 0,02 mm, et les réducteurs ultra-haute précision nécessitent jₙ ≤ 0,01 mm.
- Méthode de calcul : Basé sur la théorie de la déformation élastique de la spline flexible, établir un modèle géométrique d'engrènement du profil de dent, et dériver la valeur du jeu normal par des relations géométriques combinées à des paramètres tels que la déviation de l'épaisseur des dents et la déviation de la distance entre centres.
2. Taux de contact (η)
- Définition : Le rapport de la surface de contact d'engrènement réelle à la surface d'engrènement théorique.
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