La présente invention a pour objet un dispositif mécanique de réduction, de multiplication et de variation de vitesse de rotation.

Elle concerne le moyen de réaliser, à partir d'éléments tournants dentés ou lisses, des démultiplications de très grande valeur des vitesses de rotation, et peut trouver de nombreuses applications pour des équipements mécaniques très divers, tels que têtes de tunneliers, tambour__^d'enroulement de câble dans des systèmes de levage et de manutention, systèmes de roues pour locomotions lentes: grues portuaires, plateformes de transports de lanceurs spaciaux, engins de travaux publics, entraînement de centrifugeuses, broyeurs, etc.

Le dispositif, de par ses possibilités de très importantes réductions, est parfaitement adapté pour obtenir la rotation journalière des instruments de poursuite astrale, qui ont habituellement recours à des mécanismes pourvus de roues dentées gigantesques, ou à une multitude de réducteurs à plusieurs étages en cascade, pour obtenir la vitesse de rotation de un tour par jour !

Enfin, dans son principe de base, aucun des éléments en rotation n'étant soumis à des mouvements complexes entraînant l'apparition de forces liées à une précession gyroscopique. Le dispositif assimilable à un réducteur à trains imbriqués n'a de ce fait aucune circulation interne de forces parasites. Ses qualités essentielles: précision de fonctionnement, répétabilité d'un mouvement, excellent rendement, faible inertie au démarrage et à l'arrêt, encombrement réduit, haute rigidité, en font un produit économiquement avantageux,

répondant à un maximum d'utilisations et plus particulièrement dans la robotique industrielle et la robotique spaciale embarquées ou non.

Une version "à arbre creux" peut convenir à l'entraînement d'un rotor d'hélicoptère, la sortie de turbine attaquant une couronne dentée d'entrée par un pignon conique, et les timoneries de commandes de pas passant par le canal central.

Les mécanismes à très grand rapport de réduction réalisés à ce jour, soit sont constitués d'une cascade de nombreux pignons ou roues, soit comportent des roues dentées de très fort diamètre, et nécessitent le plus souvent des techniques de taillage particulières, qui dans tous les cas conduit à un rendement médiocre, un encombrement important et à des coûts d'étude et de fabrication très élevés.

Les engrenages à trains épicycloïdaux, dont le remarquable rendement et le silence de fonctionnement sont connus, n'ont pu, jusqu'à maintenant, être utilisés pour les très fortes démultiplications, qu'en multipliant les étages de réduction, du fait d'un rapport de i réduction unitaire limité.

Par ailleurs, les réducteurs actuellement disponibles sur le marché ne présentent pas de possibilités de réglage du jeu des engrènements sauf en dédoublant l'une des roues. Le qualificatif "sans jeu" n'est dû qu'à la précision de fabrication et à

1'appareillement des pièces au montage après contrôle dimensionnel. Ceci entraîne des investissements de fabrication assez lourds et un coût de montage très élevé.

Le dispositif selon la présente invention, qui utilise le principe des trains "épicycloïdaux" , est à même de remédier à tous ces inconvénients.

En effet, en version "à roues dentées", il permet d'obtenir une réduction donnée avec une précision comprise entre 98 et 100% de la réduction désirée, grâce à un nombre de roues toujours inférieur à celui nécessaire à tous les autres moyens connus, avec un rendement toujours supérieur et dans un volume toujours inférieur à ces autres moyens, sans faire appel à d'autres techniques de taillage de dentures que celles couramment utilisées dans l'industrie de l'engrenage. En outre, de par son principe même, le dispositif permet, quel que soit le sens de rotation d'entrée ou de sortie, un montage sans jeu au départ, un réglage de jeu en cours d'exploitation, un parfait équilibrage des efforts sur tous les satellites, ce qui diminue considérablement l'usure des dentures et permet les pointes importantes d'effort qui surviennent au démarrage et à l'arrêt de tout système mécanique. En version à éléments tournants lisses, ou "à roues de contact", l'invention se caractérise par des capacités de réductions extrêmement élevées du fait que les éléments transmettant les rotations (roues lisses, poulies, galets, courroies ..) peuvent être considérés comme des éléments dentés possédant une infinité de dents de module unique; les couples transmis n'étant plus tributaires que des pressions de contact entre les éléments en rotation. Dans tous les cas et configurations, l'invention se caractérise en outre par sa capacité à supporter un pilotage sur l'organe de réaction, permettant d'ajuster la vitesse de sortie, et de la rendre ainsi variable à volonté, et notamment d'inverser le sens de rotation de sortie, sans changer ni le sens ni la vitesse de rotation à l'entrée.

Les études préliminaires ont montré que les performances espérables du dispositif revendiqué recouvraient toutes les gammes d'appareils réducteurs existants au delà de leurs capacités propres de réduction unitaire, sans distinction de puissance, de précision ni de rendement, ces qualités en principe incompatibles étant toutes regroupées dans le principe de base.

En combinant variation de réduction et inversion du sens de rotation, l'invention trouve notamment des applications dans la transmission des véhicules, en regroupant dans le principe une boîte de vitesse à variation continue et un différentiel actif.

Le dispositif est constitué par la combinaison de deux couronnes coaxiales, l'une fixe ou conditionnellement mobile, solidaire du corps du réducteur, et l'autre mobile et solidaire de l'arbre de sortie, parcourues par au moins un couple de satellites non coaxiaux entraînés en giration par l'arbre d'entrée, éventuellement par l'intermédiaire d'un planétaire, les deux satellites étant rendus synchrones en rotation et en giration au moyen d'un organe de transmission homocinétique, et roulant sur les couronnes selon des trajectoires cycloïdales.

Sur les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs de formes de réalisation de l'objet de l'invention: la figure 1 est une coupe schématique axiale du dispositif de base, dans lequel les couples de satellites sont entraînés directement par l'arbre d'entrée, et la figure 2 représente dans les mêmes conditions une variante dans laquelle les couples de

satellites sont entraînés par l'intermédiaire d'un planétaire.

Le dispositif de la figures 1 est constitué d'un arbre d'entrée 1 entraînant un ou plusieurs couples de satellites formés chacun d'un satellite d'entrée 5 et d'un satellites de sortie 7 non coaxiaux. Le satellite d'entrée et le satellite de sortie sont rendus synchrones en giration par leur appartenance à un châssis formé de deux flasques porte-satellites 2 et 3, et synchrones en rotation par un accouplement 4 et un joint homocinétique 9. Le satellite d'entrée 5 engrène avec une couronne fixe

6 ou conditionnellement mobile. Le satellite, de sortie 7 engrène avec une couronne mobile 8 solidaire de l'arbre de sortie 10. Le châssis 2, 3 est en rotation par rapport au corps 11 ou carter de l'appareil.

Sur la figure 2 l'arbre d'entrée 1 entraîne le ou les satellites d'entrée 5 par l'intermédiaire d'un planétaire d'entrée 12 pouvant être mâle ou femelle.

Le fonctionnement du système sans planétaire est le suivant (figure 1):

La rotation d'un tour de l'arbre d'entrée 1 entraîne la révolution d'une giration de l'accouplement 4 et donc d'un certain développement circonférentiel DSE du satellite d'entrée 5 parcourant la couronne fixe 6, DSE étant égal au nombre de dents CF de la couronne fixe 6 divisé par le nombre de dents SE du sattelite d'entrée. Les deux satellites étant synchrones en rotation, grâce au joint homocinétique 9, le développement circonférentiel DSS du satellite de sortie

7 est fonction du rapport de leur nombre de dents respectifs SE et SS: DSS = DSE x SS, donc DSS = (CF x SS) : SE

La couronne mobile, dont le nombre de dents est CM, est entraînée à son tour avec une réduction différentielle RD égale, pour une giration du satellite d'entrée (ou un tour de 1'arbre d'entrée 1) , à: RD ^→ ≈ CM : (CM - DSS)

Par exemple avec:

- CF = 100 dents

- SE = 41 dents

- SS = 57 dents on a: DSS = (CF x SS) : SE = (100 x 57) : 41 =

139, 0244

En prenant CM = 139 dents, on obtient une rotation de la couronne mobile (et de l'arbre de sortie 10) de: 139 : (139 - 139,0244) = - 5700,5657

De la même manière, avec:

- CF = 1947 dents

- SE = 962 dents

- SS = 1213 dents - CM = 2109 dents on obtient une réduction de 2 160 000 avec une précision de l'ordre de -l,78E-4.

Pour une bonne interprétation du fonctionnement avec planétaire d'entrée 12, nous prendrons pour exemple les valeurs chiffrées suivantes: PP = 13 dents (planétaire d'entrée) SE = 38 dents (satellite d'entrée) CF = 89 dents (couronne fixe) SS = 26 dents (satellite de sortie)

CM ≈ 61 dents (couronne mobile) Les modules de denture interviennent dans le calcul des arrangements de chaque occurence de réduction et en tenant compte des puissances à transmettre. C'est le cas dans l'exemple qui suit dans lequel le module du

planétaire 12, du satellite d'entrée 5 et de la couronne fixe 6 vaut 1,75, le module du satellite de sortie 7 et de la couronne mobile 8 valant 2,5.

La réduction totale RT est le produit de la réduction planétaire RP par la réduction différentielle RD.

RP = 1 + (CF/PP) = 1 +(89/13) = 7,846

RD = CM / [CM - ((CF/SE) x SS)]

RD = 61 / [61 - ((89/38) x 26)] = 579,499 RT = RP x RD ≈ 7,846 x 579,499 = 4546,757

Cette combinaison donne un décalage radial entre satellite de sortie 7 et d'entrée 5 égal à 0,875.

Explication de la réduction différentielle:

La giration du châssis 2, 3 entraîne un certain développement circonférentiel DSE égal au rapport CF/SE. Les satellites 5 et 7 étant synchrones en giration et rotation, le développement circonférentiel DSS du satellite de sortie est fonction du produit de DSE par SS: DSS = (CF/SE) x SS = (89/38) x 26 = 60,894

La couronne mobile 8, de nombre de dents CM, est entraînée en rotation avec, pour une giration du satellite d'entrée 5, une réduction différentielle RD = CM / (CM - DSS) Le nombre de dents de la couronne mobile peut prendre toute valeur compatible avec le débattement autorisé par le joint homocinétique 9 utilisé. Cependant, pour obtenir la plus grande valeur possible de réduction ou de multiplication de vitesse, CM doit être égal à l'entier le plus proche de DSS. Dans le cas présent, en choisissant CM = 61 dents, on obtient une rotation de la couronne mobile de:

61 / (61 - 60,894) = 579,499

Cela signifie que pour une giration du châssis 2, 3, la couronne mobile 8 se décale de 1/579,499 tour,

et dans le même sens que le planétaire d'entrée 12 rotation "prograde".

Si l'on avait choisi 60 pour CM, on aurait obtenu une rotation "rétrograde" (sens inverse du planétaire) de valeur:

- 67,114 x 7,846 = - 526,757

D'une façon générale, en posant DIFF = (CF/SE) x SS (différentiel), on aura:

CM > DIFF => rotation prograde CM < DIFF => rotation prograde

De la même manière, avec PP = 146, CF = 1000, SE = 427, SS = 272 et CM = 637, on obtient une réduction de -2 155 796 approchant à 99,8% la réduction de 2 160 000 correspondant à une rotation de 1 tour par jour à partir d'une motorisation à 1500 tour/minute, typique des instruments de poursuite astrale.

Les modules des différentes dentures sont choisis sur deux critères essentiels:

- L'utilisation de l'appareil et la puissance à transmettre.

- La combinaison des modules permet de réduire au mieux la non-coaxialité des satellites d'entrée 5 et de sortie 7, tout en respectant à 98% près la réduction totale demandée.

Du fait de la multitude d'occurences et d'arrangements possibles, seule l'élaboration de programmes des calculs informatisés a permis de lister tous les montages possibles répondant à la fois à une réduction demandée, un sens de rotation imposé et à une puissance à transmettre.

Le principe revendiqué permet d'adapter l'appareil à une demande précise, simplifiant par là-même la cinématique d'un ensemble mécanique.

Il se caractérise, en résumé, par huit particularités:

1. Le satellite d'entrée 5 et le satellite de sortie 7 ne sont pas coaxiaux.

2. Le satellite d'entrée et le satellite de sortie sont synchrones en rotation et en giration. 3. Le satellite de sortie 7 est angulairement réglable par rapport au satellite d'entrée 5.

4. Le nombre de dents CM de la couronne mobile 8 est un entier du produit du rapport du nombre de dents CF de la couronne fixe 6 sur celui du satellite d'entrée 5 par celui du satellite de sortie 7.

5. Le sens de rotation de sortie est fonction de l'entier choisi, inférieur ou supérieur au résultat calculé.

6. Le choix des modules est fonction des puissances à transmettre et du décalage radial des satellites d'entrée et de sortie à minimiser.

7. Le réglage angulaire du satellite de sortie 7 est assuré grâce à l'accouplement entre le satellite d'entrée 5 et le joint homocinétique 9 et assure le contact réel et simultané de tous les satellites sur leur couronne ou roue respective.

8. Le réglage radial indépendant des satellite d'entrée et de sortie permet le réglage des engrènements jusqu'à la précontrainte.

D'ordre général il est à noter:

- que les divers réglages cités sont facilement réalisables en maintenance, augmentant ainsi la longévité des appareils,

- qu'un planétaire flottant, un système de frein, un li iteur de couple peuvent être intégrés sans difficultés à l'appareil,

- qu'il sera possible de fournir à l'utilisateur les éléments de base pouvant permettre la modification des caractéristiques d'un appareil telles que la réduction, le sens de rotation, la puissance nominale, la variation de réduction par pilotage, etc.

La notion d'irréversibilité dans le dispositif revendiqué est liée à l'énergie cinétique des pièces en mouvement sous l'effet multiplicateur de la cinématique inversée, à la valeur de réduction, au sens de rotation de sortie et à la valeur du rendement global de l'appareil. .)

Il est à noter que si les paliers des axes de satellites sont des bagues excentrées, leur rotation permet le réglage du satellite d'entrée 5, tandis que la rotation de l'accouplement 4 permet le réglage du satellite de sortie, ce qui rend possible le réglage du jeu au montage, et son éventuel rattrapage lors d'une maintenance ultérieure, dans sa partie la plus sensible au jeu: les engrènements des satellites sur les couronnes.

VARIANTES ET APPLICATIONS

- Les dentures peuvent prendre toutes formes connues à ce jour: droite, hélicoïdale, déportée, conique, etc.

- Les dentures peuvent être remplacées par des pignons spéciaux, des galets ou autres éléments à friction.

- Les satellites 5 et 7 peuvent rouler à l'intérieur de couronnes ou a l'extérieur de roues dentées.

- La liaison entre les satellites d'entrée et la couronne fixe 6 (ou roue dentée) d'une part, et la liaison entre les satellites de sortie et la couronne ou roue dentée mobile 8 d'autre part, peuvent être réalisées au moyen de roues dentées solidaires du châssis 2, 3, de brins souples sans tendeur de type chaîne ou courroie, crantée ou non.

- La couronne fixe 6 peut être rendue conditionnellement mobile. On obtient ainsi la possibilité de faire varier la valeur de la réduction ou de la multiplication, ayant pour effet de faire varier la vitesse de rotation de l'arbre de sortie 10. Il existe à partir de là au moins trois possibilités de variation de vitesse:

1. Vitesse de l'arbre d'entrée 1 continue, avec vitesse de pilotage variable. 2. Vitesse de l'arbre d'entrée variable, avec vitesse de pilotage continue.

3. Dérivation partielle de la rotation d'entrée vers le pilotage de la couronne 6.

Ces diverses possibilités permettent la variation de la vitesse de rotation de sortie de manière à obtenir: soit une rotation plus rapide, soit une rotation plus lente, soit une rotation nulle, soit encore une inversion de sens, sans pour autant être obligé de modifier la vitesse de rotation d'entrée, ni son sens. Deux dispositifs à variation de vitesse peuvent être montés en parallèle, l'arbre d'entrée de chacun d'eux étant entraîné en rotation par un organe moteur commun, l'arbre de sortie de chaque dispositif délivrant sa rotation sur l'une des roues d'un essieu et l'ensemble constituant un dispositif regroupant les

caractéristiques et avantages d'une boîte de vitesse automatique pour véhicule, d'un convertisseur de couple et d'un différentiel actif et autobloquant.

- La prise de force peut, par l'utilisation d'un arbre de sortie 10 creux, être située du même côté que la motorisation.

- L'axe général du dispositif peut être creux et servir par exemple à l'entraînement d'un rotor d'hélicoptère, la sortie de turbine attaquant une couronne dentée d'entrée par un pignon conique, et les timoneries de commandes, câbles ou tringleries passant par le canal central.

- L'arbre d'entrée 1 ou l'arbre de sortie 10 peuvent être rendus fixes, le corps 11 de l'appareil étant alors mobile et utilisé comme organe d'entrée ou de sortie.

- On peut aussi envisager des variantes à satellites coniques dont les axes sont perpendiculaires à l'axe des couronnes et engrènent entre eux par des roues droites constituant l'organe de transmission homocinétique. Ce montage offre de très nombreuses possibilités de réduction ou multiplication dans le cadre du principe revendiqué.

- Comme précisé plus haut, le dispositif selon l'invention se prête particulièrement bien à la réalisation de systèmes de rotation journalière pour instruments de poursuite astrale (antennes radio- électriques et télescopes), qui nécessitent une réduction de 2160000 à partir d'un classique moteur à 1500 tours par minute, cette réduction pouvant être atteinte avec un minimum de roues dentées, sans recourir au gigantisme des roues dentées ni à la prolifération de réducteurs en cascade, ce qui procure un jeu de fonctionnement extrêmement réduit et une probable irréversibilité fort utile en un tel cas.

Par ailleurs, le principe même de 1'invention autorise son intégration dans un tel ouvrage, non plus à titre de simple réducteur mais bel et bien en tant qu'élément structurel de la rotation, la couronne d'orientation de l'antenne et la couronne mobile 8 du réducteur étant alors la même pièce, et chaque paire de satellites d'entrée 5 et de sortie 7 de ce gros réducteur pouvant être constitués par un réducteur selon le dispositif revendiqué, le satellite de sortie 7 étant solidaire de l'arbre de sortie, et le satellite d'entrée constitué d'une couronne dentée solidaire du corps de l'appareil. Le moteur est alors fixé à un bras porte- < satellites axé sur le centre de la rotation de l'antenne. La nécessité d'un conduit central de descente d'image ne pose aucun problème.

- Indiquons pour terminer que pour des besoins particuliers tels que l'enroulement de câbles, l'arbre de sortie 10 peut avantageusement être rendu fixe, le corps (carter) de l'appareil constituant alors l'organe délivrant la rotation de sortie. De la même façon, l'arbre d'entrée 1 peut dans certains cas être rendu fixe, le corps de l'appareil recevant la rotation d'entrée.

Selon les applications, les différents éléments constitutifs du dispositif peuvent être réalisés en toute matière, métal, matière plastique, etc. Des matériaux particuliers comme la céramique ou certains polymères pourront être utilisés dans le cas où le dispositif est appelé à travailler dans des milieux difficiles tels que: température élevée, milieu abrasif, agressif, spacial, nucléaire, pressurisé, cryogénique, sismique.

Le positionnement des divers éléments constitutifs donne à l'objet de l'invention un maximum d'effets utiles qui n'avaient pas été, à ce jour, obtenus par des dispositifs similaires.