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Vue d'ensemble des vis à rouleaux planétaires (PRS) : conception, fabrication et applications

La vis à rouleaux planétaires (VRP) est un dispositif de transmission mécanique de haute précision et à forte charge qui a été largement adopté dans l'aérospatiale, les machines-outils CNC haut de gamme, les robots industriels, les actionneurs électromécaniques et l'équipement militaire. Comparée aux vis à billes traditionnelles, la VRP se caractérise par une capacité de charge supérieure, une durée de vie plus longue et une rigidité plus élevée, ce qui la rend idéale pour la transmission de précision dans des conditions de fonctionnement extrêmes. Cet article fournit un aperçu complet de la VRP, couvrant ses principes structurels, ses principaux aspects de conception, ses processus de fabrication et ses applications typiques, servant de référence pratique aux professionnels de l'ingénierie.

Principes structurels de base

Composants de base

Vis: Un arbre principal avec des rainures hélicoïdales, généralement avec des filets trapézoïdaux ou en arc de cercle.
Écrou: Intègre des rouleaux planétaires ou des billes qui s'engrènent avec la vis.
Rouleaux planétaires: Plusieurs rouleaux qui effectuent un mouvement de roulement planétaire entre la vis et l'écrou, permettant la transmission de la puissance.
Cage/Retenue: Fixe les positions axiales et circonférentielles des rouleaux pour assurer une répartition uniforme de la force.
Bouchons d'extrémité: Empêchent le détachement des rouleaux et assurent la lubrification et l'étanchéité.

Mécanisme de fonctionnement

Lorsque la vis tourne, les rouleaux subissent un roulement planétaire entre la vis et l'écrou, de manière similaire à la transmission par engrenages planétaires. Il existe trois principaux modes de mouvement :

Rotation de la vis avec mouvement linéaire de l'écrou (l'application la plus courante).
Rotation de l'écrou avec mouvement linéaire de la vis (utilisé dans les actionneurs électromécaniques).
Mouvement inverse à double écrou (pour une transmission à haute rigidité et sans jeu).

Contrairement aux vis à billes qui reposent sur un contact ponctuel, la VRP adopte un contact linéaire via des rouleaux, ce qui améliore considérablement sa rigidité et sa capacité de charge.

Considérations de conception clés

Conception des principaux paramètres

Pas (P): Sélectionné en fonction des exigences de vitesse et de précision, avec une plage typique de 1 à 20 mm.
Diamètre nominal (D): Calculé en fonction des exigences de charge et de rigidité, allant de 10 à 100 mm.
Nombre de rouleaux (n): Limité par le diamètre intérieur de l'écrou et la taille des rouleaux, généralement de 3 à 12.
Angle de contact (α): Généralement de 45 ° pour équilibrer les charges axiales et radiales, avec une plage réglable de 30 ° à 60 °.
Angle d'hélice (λ): Calculé comme λ=arctan(P/(πD)), allant de 2 ° à 10 °.

Calculs de résistance et de rigidité

Charge dynamique nominale (C): Conforme à la norme ISO 3408-5, calculée par la formule C=fc·(i·n)^0,7·dr^2,9·cos²α, où fc est le facteur de matériau, dr est le diamètre du rouleau et i est le nombre de rouleaux effectivement chargés.
Rigidité axiale (K): Calculée comme K=(πEdr²)/(4L), avec E (module d'élasticité de l'acier) d'environ 210 GPa.
Vitesse critique (nc): Déterminée pour éviter la résonance, liée à la rigidité (K) du système et à la masse (m) des composants en mouvement.

Sélection des matériaux et traitement thermique

Vis/Écrou: Acier au chrome à haute teneur en carbone (GCr15) trempé à HRC 58-62 ; acier inoxydable 17-4PH pour les environnements corrosifs.
Rouleaux: Céramique en nitrure de silicium (Si₃N₄) pour les applications à grande vitesse et à faible charge ; acier à roulement SUJ2 trempé pour une utilisation générale.
Retenue: Polyétheréthercétone (PEEK) pour la résistance aux températures élevées ; alliage de cuivre (bronze) pour des performances autolubrifiantes.

Classes de précision

Basées sur les normes ISO 3408, les classes de précision des VRP sont classées comme suit :

P0 : Erreur de positionnement répétée ≤ 5 μm, adaptée aux machines-outils de très haute précision.
P1 : Erreur de positionnement répétée ≤ 10 μm, utilisée dans les actionneurs aérospatiaux.
P3 : Erreur de positionnement répétée ≤ 30 μm, idéale pour les robots industriels.
P5 : Erreur de positionnement répétée ≤ 50 μm, applicable aux équipements d'automatisation générale.

Processus de fabrication critiques

Technologie de modification des filets

Modification du profil : Réduit la concentration des contraintes de bord.
Compensation du pas : Compense les erreurs de déformation thermique.

Lubrification et étanchéité

Méthodes de lubrification : Lubrification à la graisse (pour un fonctionnement sans entretien à vie) et lubrification au brouillard d'huile (pour les conditions de travail à grande vitesse).
Conceptions d'étanchéité : Joint labyrinthe (pour la prévention de la poussière) et joint magnétohydrodynamique (pour les environnements sous vide).

Précharge et élimination du jeu

Précharge à double écrou : Applique une précharge en ajustant les cales ou les ressorts.
Pas variable à écrou unique : Structure de précharge automatique (par exemple, SKF TorqueTube).

Technologies de fabrication avancées

Tournage dur + rectification : Permet l'usinage de précision des filets de vis.
Formage par roulage : Améliore la dureté de surface des rouleaux.
Impression 3D : Facilite les structures légères personnalisées (par exemple, les écrous en alliage de titane).

Applications typiques

Aérospatiale

Appliqué dans les actionneurs de gouvernes d'avion et les systèmes de contrôle du train d'atterrissage, nécessitant une résistance aux températures extrêmes (-60 °C~200 °C) et aux chocs/vibrations.

Robots industriels

Utilisé dans les articulations à six axes (remplaçant les réducteurs harmoniques) en raison de leur rigidité élevée, de leur absence de jeu et de leur longue durée de vie (plus d'un million de cycles).

Actionneurs électromécaniques

Adopte la configuration moteur servo + vis à rouleaux planétaires, comme en témoigne le mécanisme de pressage de haute précision dans les chaînes de production de batteries automobiles de Tesla.

Machines-outils lourds

Répond aux exigences de poussée importante (> 50 kN) et de précision de positionnement au micron.

Conclusion

Grâce à ses avantages exceptionnels en termes de rigidité élevée, de capacité de charge élevée et de longue durée de vie, les vis à rouleaux planétaires remplacent progressivement les vis à billes traditionnelles et les systèmes hydrauliques. À mesure que la science des matériaux et les technologies de fabrication intelligentes progressent, la VRP jouera un rôle de plus en plus crucial dans la transmission de précision, l'électrification et les équipements intelligents à l'avenir.

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