1. Principe de fonctionnement des réducteurs Harmonic Drive

• Générateur d'ondes: Généralement composé d'une came elliptique et d'un roulement annulaire extérieur, il est utilisé pour générer des ondes de déformation élastique.
• Flexspline: Une roue dentée à paroi mince et élastique qui peut subir une déformation élastique en même temps que le générateur d'ondes.
• Circular Spline: Une couronne dentée interne rigide qui s'engrène avec le flexspline mais ne tourne pas directement.

1.1 Processus de transmission

1. Lorsque le générateur d'ondes tourne, sa structure elliptique provoque la déformation élastique du flexspline, et une partie du flexspline s'engrène avec le circular spline.
2. À chaque rotation complète du générateur d'ondes, le flexspline se déplace par rapport au circular spline d'un nombre de dents égal à la différence entre le nombre de dents du circular spline et du flexspline, ce qui permet d'obtenir un rapport de réduction élevé.
3. Calcul du rapport de réduction: Rapport de réduction = (Nombre de dents du circular spline - Nombre de dents du flexspline) / Nombre de dents du circular spline. Généralement, le flexspline a 2 dents de moins que le circular spline (par exemple, 100 dents sur le flexspline et 102 dents sur le circular spline), ce qui donne un rapport de réduction de 50:1.

1.2 Caractéristiques cinématiques

• Absence de jeu: La déformation élastique du flexspline peut compenser les jeux des engrenages, ce qui permet un mouvement sans jeu.
• Haute précision: Un grand nombre de dents s'engrènent simultanément (généralement plus de 30 % des dents), ce qui entraîne des erreurs de transmission extrêmement faibles (<1 minute d'arc).
• Haut rendement: Le rendement peut dépasser 90 %, mais il est affecté par la lubrification et la charge.

2. Conception des réducteurs Harmonic Drive

2.1 Conception des composants clés

• Conception du Flexspline
  • Matériau : Acier allié à haute résistance (par exemple, 40CrNiMoA) pour assurer une longue durée de vie en fatigue.
  • Profil de denture : Profil de denture en développante ou en arc de cercle pour optimiser la répartition des contraintes.
  • Épaisseur de paroi : Doit équilibrer rigidité et élasticité pour éviter la rupture par fatigue.
• Conception du Circular Spline
  • Matériau : Acier allié à haute dureté (par exemple, 20CrMnTi), avec traitement thermique pour améliorer la résistance à l'usure.
  • Rapport de denture : Généralement, il a 2 à 4 dents de plus que le flexspline pour obtenir un rapport de réduction important.
• Conception du générateur d'ondes
  • Ellipticité : Détermine la déformation du flexspline et affecte la profondeur d'engrènement.
  • Roulement : Des roulements flexibles sont utilisés pour réduire les pertes par frottement.

2.2 Analyse de la durée de vie en fatigue

3. Avantages, inconvénients et applications des réducteurs Harmonic Drive

3.1 Avantages

• Rapport de réduction élevé (50:1 à 320:1)
• Absence de jeu et haute précision de positionnement
• Structure compacte et haute densité de puissance
• Fonctionnement stable avec faibles vibrations et bruit

3.2 Inconvénients

• Durée de vie en fatigue limitée du flexspline
• Processus de fabrication complexe et coût élevé
• Exigences strictes en matière de lubrification et d'étanchéité

3.3 Domaines d'application

• Robots industriels
  • Entraînement des articulations : Les réducteurs Harmonic Drive sont largement utilisés dans les articulations rotatives des robots à six axes (par exemple, des marques comme ABB, Fanuc et KUKA) pour fournir une sortie de haute précision et de couple élevé.
  • Robots collaboratifs : Leur conception légère en fait un choix idéal pour les robots collaboratifs (par exemple, UR).
• Aérospatiale
  • Réglage des antennes satellites : Utilisés dans les mécanismes de pointage de haute précision pour assurer une transmission stable du signal.
  • Entraînement des ailes solaires des engins spatiaux : Les réducteurs Harmonic Drive résistants au vide et aux radiations conviennent aux environnements spatiaux.
• Équipements médicaux
  • Robots chirurgicaux : Des systèmes comme le système chirurgical Da Vinci s'appuient sur des réducteurs Harmonic Drive pour réaliser des opérations précises en chirurgie mini-invasive.
  • Équipements de tomodensitométrie/IRM : Utilisés dans les mécanismes de balayage rotatifs de précision.
• Autres domaines
  • Instruments d'optique : Mécanismes de mise au point de précision pour les télescopes et les LiDAR (Light Detection and Ranging).
  • Équipements de semi-conducteurs : Positionnement de haute précision pour les bras robotiques de manipulation de plaquettes.

4. Conclusion