Modélisation 3d dynamique d’un réducteur compact a fort rapport avec profil de denture en développante de cercle

3d dynamic modelisation of an high gear ratio compact reducer with involute tooth profile

• Auteur / Autrice : Tommy Pinel
• Direction : Jérôme Bruyère, Philippe Velex
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 01/07/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Calloch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Bruyère, Philippe Velex, Sylvain Calloch, Gaël Chevallier, Jean-Luc Dion, Marianne Sagnard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gaël Chevallier, Jean-Luc Dion

Mots clés

Mots clés contrôlés

Limitations de vitesse

Engrenages

Mécanique du contact

Mots clés libres

Mécanique des contacts

Réducteur de vitesse

Denture

Engrenage

Développante de cercle

Comportement statique

Comportement dynamique des structures

Modélisation élément fini

Contact mechanics

Speed reducer

Gear teeth

Gear

Involute

3D numerical modeling

Static behaviour

Dynamic behavior of structures

Finite element modeling

Résumé

Les moteurs électriques ont généralement une efficacité élevée sur une plage de fonctionnement peu adaptée aux diverses applications et l’utilisation d’un réducteur de vitesse est nécessaire. Les architectures et les technologies rencontrées dans la réalisation de ces systèmes sont extrêmement diverses. Ce travail de recherche se focalise sur une famille de réducteurs caractérisés par un fort rapport de réduction (>20), un faible encombrement et des profils de dents en développante de cercle. Le pignon, entrainé par un excentrique, engrène à l’intérieur d’une couronne fixe et le mouvement de sortie est récupéré à l’aide de pines en contact avec des alésages du pignon. Une première étude, menée en considérant les pièces parfaitement rigides, permet de définir une géométrie nominale exempte d’interférence. Ensuite, les comportements quasi-statique et dynamique du système sont analysés en utilisant un modèle où les différentes pièces sont animées de 6 degrés de liberté supplémentaires et où toutes les liaisons sont élastiques. L’introduction de ce comportement déformable modifie de façon très sensible les zones de contact et améliore la répartition du chargement. Le rapport de conduite, inférieur à l’unité dans le premier modèle, peut devenir supérieur à 3 dans le cas où la couronne possède une dent de plus que le pignon. De plus, le modèle permet de détecter des cas de fonctionnements pathologiques où un contact isolé entre les dentures apparaît à l’extrémité de la zone de contact potentiel. Enfin, une démarche de conception est proposée où l’outil développé occupe une place centrale. L’introduction de certains écarts de réalisation permet notamment de tester les choix de conception au voisinage des valeurs nominales et de vérifier la robustesse de l’ensemble.

Electrical engines are generally well efficient on a range of speed poorly adapted to several applications and therefore the use of a speed reducer is a necessity. The number of technologies found for speed reducers is quite large. This work focus on compact reducers with a high gear ratio (>20) and involute profile for teeth of the gear. The pinion driven by an eccentric shaft, meshes with a ring gear and the output torque is retrieved by output shaft thanks to pin/bore contacts with the pinion. A first study in rigid body state allows us to define a nominal geometry without interferences. Then a quasi-static and dynamic approach is defined thanks to the consideration of 6 degrees of freedom for each part of the reducer and where all links are defined with an elastic behavior. The introduction of this deformable behavior leads to very noticeable changes for the contacts and improve the load distribution. The nominal contact ratio, below one in rigid body state, can increase to more than three in the case where the ring gear has only one tooth more than the pinion. Moreover, the model can detect disease patterns where an isolated contact appears at the edge of the potential contact zone. Finally, a design procedure is suggested where the developed software stands in the middle. The introduction of some manufacturing errors allows the evaluation of design choices close to nominal values and therefore the evaluation of the reliability of the design.