CH687581A5 - Réducteur de vitesse différentiel. - Google Patents

Description

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Description

L'invention a pour objet un réducteur de vitesse différentiel comprenant un arbre d'entrée et un arbre de sortie aligné avec l'arbre d'entrée.

Dans le domaine de la mécanique, en particulier, dans le domaine de la mécanique de précision, on est souvent contraints d'utiliser un réducteur de vitesse afin d'obtenir, avec un même type de moteur, des vitesses de sortie adaptées aux besoins.

Dans le domaine de l'art dentaire, par exemple, on utilise des moteurs d'entraînement dont la vitesse de rotation varie entre 4000 et 40 000 t/min alors que certains travaux nécessitent une rotation de l'outil de l'ordre de 600 à 100 t/min seulement, voire même de 100 à 10 t/min pour certains travaux spéciaux très précis.

De nombreux dispositifs de réduction de vitesse ont déjà été envisagés. On connaît, par exemple, selon le brevet FR - 2 383 361, un réducteur différentiel à engrenages planétaires, dans lequel l'arbre d'entrée porte un pignon denté en prise avec trois pignons satellites, eux-mêmes en prise avec une couronne dentée fixe entourant l'ensemble, le por-te-pignons satellites étant solidaire de l'arbre de sortie. Ce dispositif est cependant relativement compliqué du fait du nombre de pièces qui doivent tourner et il permet d'obtenir des rapports de réduction seulement de l'ordre de 10:1. En montant plusieurs engrenages planétaires de ce type l'un derrière l'autre, il est possible d'obtenir de plus grands rapports de réduction. Cependant la valeur du rapport de réduction est fonction du nombre d'engrenages planétaires utilisé, il n'est donc pas possible d'obtenir de très grands rapports de réduction dans un volume réduit.

Selon un autre brevet FR- 2 572 645, afin de réduire l'encombrement, on utilise un module réducteur ou multiplicateur comportant un arbre intermédiaire oblique par rapport aux arbres d'entrée et de sortie et muni à chaque extrémité de pignons engrenant respectivement avec le pignon d'entrée et le pignon de sortie. Cependant, le rapport de réduction obtenu par ce dispositif est limité au rapport des dents des différents pignons coopérants et il ne peut donc pas être très élevé.

La présente invention a pour but de réaliser un réducteur différentiel permettant une grande réduction de vitesse d'un rapport déterminé, pouvant aller jusqu'à environ 2000:1, tout en limitant au mieux son encombrement et étant d'une construction simple.

A cet effet, le réducteur de vitesse différentiel selon l'invention est caractérisé par la clause caractérisante de la revendication 1.

Il peut s'agir d'engrenages à dentures, donc de pignons dentés. Dans la description qui va suivre, nous nous référons uniquement, pour simplifier, à des roues dentées et à leur nombre de dents.

Avec ce nouveau type de réducteur, d'une conception inédite très simple, la grandie démultiplication résulte du simple fait que par un mouvement de culbutage de la roue intermédiaire lors d'une rotation d'un tour de l'arbre d'entrée, cette roue intermédiaire tourne seulement d'une distance qui correspond à la différence du nombre de dents des deux engrenages coopérants de cette roue et de la roue fixe. Un effet analogue se produit en ce qui concerne la vitesse relative entre la roue intermédiaire et la roue de sortie, si les deux engrenages coopérants ont des nombres de dents différents. Si les rapports des nombres de dents coopérantes sont choisis de sorte que la roue intermédiaire et la roue de sortie, par rapport à cette roue intermédiaire, tournent en sens inverse, on arrive à une différence des vitesses lentes très similaire et donc facilement à des démultiplications très grandes, par exemple, de 1000:1, ou même 2000:1, ainsi que cela sera expliqué dans la description, tout en permettant d'obtenir également toute une gamme intermédiaire d'autres démultiplications.

Ce nouveau dispositif présente de nombreux avantages. On arrive à de très grandes démultiplications dans un volume restreint. Le nombre de pièces en mouvement est réduit par rapport aux réducteurs classiques, ce qui réduit le jeu angulaire. On peut considérer que les roues sont pratiquement alignées, l'axe oblique et donc l'axe de la roue intermédiaire, étant très peu incliné par rapport à l'axe de la roue fixe et de la roue de sortie, ceci permet à l'ensemble de tenir dans la forme, très courante, d'un cylindre. La vitesse de la roue intermédiaire est faible, elle sera même nulle si les nombres de dents de la roue fixe et celui de la face coopérante de la roue intermédiaire sont égaux. Il y a une limitation du couple par la liaison des réactions mécaniques entre l'arbre d'entrée et l'arbre de sortie; avec les systèmes réducteurs classiques à très grandes démultiplications, ce couple étant souvent trop important et gênant; il est possible d'ajuster par construction ce couple en variant les angles de pression de la denture et de la dimension, sur la conception des paliers dont certains peuvent être formés, par exemple, par des roulements à billes.

Le réducteur selon l'invention est bien applicable aux instruments dentaires nécessitant une vitesse très lente, comme par exemple les perceuses, les taraudeuses-visseuses, les fraiseuses à basse vitesse, et peut être incorporé dans la pièce à main ou dans le moteur dentaire qui est accroché à une pièce à main.

Des formes d'éxécution préférées résultent des revendications dépendantes.

Deux formes d'éxécution préférentielles du dispositif de réduction vont maintenant être décrites ci-après à l'aide de la description qui suit et du dessin annexé dans lequel:

La fig. 1 est une vue schématique, en coupe longitudinale, d'une première forme d'éxécution du réducteur selon l'invention.

La fig. 2 représente une vue éclatée des éléments de la fig. 1.

Selon les fig. 1 et 2, le réducteur comprend un arbre d'entrée 1 prolongé par un axe cylindrique 2, oblique par rapport à l'arbre d'entrée 1, et solidaire de lui. Sur cet axe oblique 2 est montée librement en rotation une roue intermédiaire 3 munie sur les

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deux faces de zones annulaires d'engrenage formées par des dentures frontales. Sur sa face dirigée vers l'arbre d'entrée 1 la denture frontale 4 a un nombre de dents Z2 et, sur l'autre face, la denture frontale 5 a un nombre de dents Z3. La roue intermédiaire 3 coopère par sa denture frontale 4 avec la denture 6, ayant un nombre de dents Zi, d'une roue fixe 7 disposée concentriquement à l'arbre d'entrée 1; la denture frontale 5 de son autre face coopère avec la denture frontale 8, ayant un nombre de dents Z4, d'une roue de sortie 9 solidaire de l'arbre de sortie 10 et concentrique à celui-ci.

Dans l'exemple considéré, l'endroit de liaison de l'axe oblique 2 à l'arbre d'entrée 1 est décentré par rapport à l'axe longitudinal de cet arbre d'entrée 1. L'axe oblique 2 s'étend à partir de cet endroit de liaison vers le prolongement dudit axe longitudinal et le coupe, le centre de la roue intermédiaire 3 se trouvant approximativement à l'endroit de cette intersection. De ce fait, lors de la rotation de l'axe oblique 2, celui-ci décrit dans l'espace un double cône dont le sommet commun est situé à l'intersection entre l'axe oblique et le prolongement de l'axe longitudinal de l'arbre d'entrée 1. Grâce à cette mesure, l'axe oblique 2 et la roue intermédiaire 3 sont à peu près équilibrés par rapport au centre du mouvement de culbutage et donc débalourdés lors de la rotation de l'axe oblique 2.

Pour la réalisation constructive, l'axe oblique 2 est solidaire de l'arbre d'entrée 1 par l'intermédiaire d'un collet 2a dont le diamètre est plus grand que celui de l'arbre d'entrée 1 et dont la face dirigée vers l'axe oblique 2 présente une inclinaison correspondante à l'obliquité dudit axe oblique. De préférence, les trois parties l'arbre d'entrée 1, le collet 2a et l'axe oblique 2 sont d'une seule pièce.

L'inclinaison entre l'axe oblique 2 et l'arbre d'entrée 1 est très faible. Dans la plupart des cas pratiques, l'angle d'inclinaison, pour des rouages dentés, est de préférence compris entre 5° et 15°. Cependant, la valeur exacte de cet angle n'est pas essentielle; la valeur minimum de cet angle qui peut en principe être choisie, dépend de la différence des nombres de dents des roues coopérantes ainsi que du profile et du type de la denture; elle pourrait être, théoriquement ou dans des cas spéciaux, pour une différence d'une seule dent, inférieure à 5°, en respectant naturellement la condition que l'engagement des deux engrenages se fait sans coincement.

L'axe oblique 2 est prolongé par un petit axe 11 aligné avec l'arbre d'entrée 1 et qui se loge dans un trou 13 de la roue de sortie 9 en vue d'assurer le centrage de l'arbre d'entrée 1. Cependant, un tel prolongement de l'axe oblique n'est pas nécessaire, on pourrait aussi prévoir un palier rapporté ou un palier à roulements.

Un palier 12, formant le fond d'une douille cylindrique 12a, supporte l'arbre de sortie 10 et sa roue de sortie 9. Ladite douille 12a forme une partie d'un boîtier prévu pour contenir l'ensemble du dispositif, la deuxième partie de ce boîtier étant constituée par la roue fixe 7, prévue pour s'emboîter dans l'extrémité de la douille 12a et dont le moyeu central 7a forme palier pour l'arbre d'entrée 1. Le réducteur forme ainsi une unité modulaire compacte, de faible encombrement qui peut être montée dans n'importe quel dispositif approprié entre deux butées axiales 14 permettant un réglage du jeu axial et qui peuvent être constituées par des bagues chassées, des «Circlips» (marque déposée), etc. Dans l'exemple considéré ledit module est cylindrique, mais il pourrait avoir une toute autre forme, par exemple polygonale, en particulier carrée.

Pour réaliser les mouvements des roues, on constate d'abord selon la fig. 1, que la denture 4 de la roue intermédiaire 3 n'engage la denture 6 de la roue fixe 7 que sur une zone limitée à quelques dents tandis que l'autre denture 5 de la roue intermédiaire 3 n'engage la denture 8 de la roue de sortie 9 que sur une zone, également limitée à quelques dents, diamétralement opposée.

Si l'arbre d'entrée 1 et donc l'axe oblique 2 font une rotation complète, ce dernier décrit dans l'espace, comme mentionné, deux cônes opposés par leur sommet, et entraîne dans ce mouvement la roue intermédiaire 3, qui est montée librement sur cet axe oblique 2. Lors de ce mouvement, les zones de contact entre la roue intermédiaire 3 et la roue fixe 7 d'une part, ainsi que la roue de sortie 9 d'autre part, circulent le long des dentures correspondantes. Ce mouvement de la roue intermédiaire 3 sera appelé ci-après mouvement de culbutage.

Pour arriver au rapport de démultiplication, considérons en premier lieu que lors d'une rotation complète de I arbre d'entrée 1, au cours d'un mouvement de culbutage, ladite roue intermédiaire 3 tourne d'un angle qui correspond à la différence du nombre de dents entre les dentures Z2 de la roue intermédiaire 3 et celles Zi de la roue fixe 7, donc à Z2-Z1. Si on appelle n1 la vitesse de rotation de l'arbre d'entrée 1 et n3 celle de la roue intermédiaire 3, on a le rapport:

n3/n1 = (Z2-Zi)/Z2 = I-Z1/Z2 (1)

On constate que ce rapport est d'autant plus petit que Z1/Z2 est plus proche de 1. Cette formule permet également de prévoir le sens de rotation des roues: si Zi < Z2 le rapport est positif, donc l'arbre d'entrée 1 et la roue intermédiaire 3 tournent dans le même sens. Si h = Z2 la roue intermédiaire 3 ne tourne pas, mais fait seulement un mouvement de culbutage. Si Zi > Z2 le rapport est négatif, donc les deux roues tournent en sens inverse.

La vitesse de rotation de la roue de sortie 9 est fonction des vitesses relatives entre la roue intermédiaire 3 et l'arbre d'entrée 1 d'une part, et entre la roue intermédiaire 3 et la roue de sortie 9 d'autre part. La vitesse n9 de la roue de sortie 9 est donc formée de deux composantes n9 = n9A + n9ß, ici n9A désigne la vitesse par rapport à la roue intermédiaire 3 due au culbutage et n9ß désigne la vitesse due à la rotation même de la roue intermédiaire 3.

Considérant d'abord le cas particulier où la roue intermédiaire 3 ne tourne pas (donc si Zi = Z2), on réalise facilement que la roue de sortie 9, lors d un tour de l'arbre d'entrée 1, donc d'un mouvement de culbutage de la roue intermédiaire 3, tourne à cau5

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se de ce culbutage d'un angle qui correspond à la différence entre les nombres de dents coopérantes, donc à Z4-Z3. La vitesse de rotation de la roue de sortie 9 causée par le culbutage est donc:

n9A = (1-Z3/Z4).n1 (2)

On voit que si Z3 < Z4 la roue de sortie 9 tourne dans le sens de l'arbre d'entrée 1, si Z3 = Z4 la roue de sortie 9 ne tourne pas et si Z3 > Z4 la roue de sortie 9 tourne en sens inverse de l'arbre d'entrée 1.

Considérant l'effet d'une rotation de la roue intermédiaire 3, cette rotation est transférée à la roue de sortie 9 dans le rapport des nombres de dents Z3/Z4. En effet, si l'on considère une rotation de la roue intermédiaire, sans culbutage, il est clair que le rapport de vitesse de cette roue par rapport à la vitesse de la roue de sortie est égal au rapport des dents. On a donc, en utilisant la formule (1 )

n9B = (Z3/Z4).(1-Zi/Z2).n1 (3)

En additionnant ces vitesses, selon (2) et (3), on arrive donc à la formule:

n9/n1 = (n9A + n9B)/n1 = I-Z1Z3/Z2Z4 (4)

De cette formule, il résulte clairement que la fraction ne doit pas être égale à 1, donc le rapport Z3/Z4 ne doit pas être l'inverse du rapport Z1/Z2, parce que dans ce cas, la roue de sortie 9 reste immobile. Par la formule (4), on voit également le sens de rotation des roues à savoir si le rapport ZiZ3/Z2Z4 est inférieur à 1, la roue de sortie 9 tourne dans le même sens que l'arbre d'entrée 1; si ce rapport est supérieur à 1, son sens de rotation est inverse à celui de l'arbre d'entrée 1.

Il résulte également de cette formule (4) que pour arriver à une très grande démultiplication, il faut choisir le rapport Z1/Z2 très légèrement inférieur à 1 et le rapport Z3/Z4 très légèrement supérieur à 1 (ou vice versa), mais un petit peu différent.

Pour utiliser d'une manière optimale la conception de l'invention en vue d'arriver à une très grande démultiplication, on choisit de préférence les nombres de dents de la manière suivante: Z2 = Z4 = N, Zi = N-1, Z3 = N+1. Cela donne d'après la formule (4) n9/n1 = 1/N2, le sens de rotation de l'arbre de sortie 10 est le même que celui de l'arbre d'entrée 1. En choisissant, par exemple, comme nombre N = 30, on arrive à un rapport de vitesses n9/n1 = 1/900. En choisissant le nombre N = 40, le rapport de réduction est de 1/1600.

Pour arriver à une grande démultiplication avec le sens de rotation de la roue de sortie 9 inversé par rapport à celui de l'arbre d'entrée 1, on peut choisir Zi = Z3 = N, Z2 = N+1, Z4 = N-1, cela donne d'après la formule (4) n9/n1 = 1 /(N2—1 ). Pour N = 30, on a un rapport de -1/899.

Dans les exemples décrits, on comprend que la roue intermédiaire 3 tourne lentement dans le même sens de rotation que l'arbre d'entrée 1 tandis que la roue de sortie 9 tourne par rapport à cette roue intermédiaire 3 avec une vitesse relative lente inverse, mais un peu inférieure ou supérieure à la vitesse relative de la roue intermédiaire 3 par rapport à l'arbre d'entrée 1, et que c'est cette différence qui donne en résultante la vitesse très lente (dans un sens ou dans l'autre) de la roue de sortie 9.

En choisissant les rapports des dents d'une manière adéquate, avec un engrènement des dents suffisant, on peut arriver à des rapports de réduction choisis dans une très grande marge. Par exemple, si Z4 = 31, Z3 = 32, Z2 = 20, et Zi = 19, on arrive à un rapport de réduction de 1:51 2/3.

Une conception à simple effet peut être obtenue si Z3 = Z4, le rapport final sera de I-Z1/Z2, ou si Zi = Z2 le rapport sera I-Z3/Z4.

L'avantage de ce dispositif est qu'il n'y a qu'une rotation lente de la roue intermédiaire 3 et que le nombre de pièces en mouvement est très réduit par rapport aux nombres de pièces composant les réducteurs connus jusqu'ici. De plus, du fait que l'axe oblique 2 est très peu incliné par rapport à l'arbre d'entrée 1, on peut considérer que la roue intermédiaire 3 occupe un espace restreint, presque aligné à l'espace occupé par les roues fixe et mobile, les trois roues peuvent être insérées sans difficulté dans un volume cylindrique. Grâce à la liaison des réactions mécaniques entre l'arbre d'entrée et l'arbre de sortie, il y a une limitation importante du couple.

Du fait de son faible encombrement et de sa présentation sous forme de module compact, le réducteur qui vient d'être décrit peut avantageusement être utilisé dans les instruments dentaires nécessitant une grande démultiplication, lu module cylindrique pouvant aisément être inséré dans la douille de préhension d'une pièce à main droite, ou dans un contre-angle ou aussi dans le moteur. On peut notamment utiliser un tel réducteur, par exemple, dans une perceuse, dans une taraudeuse-vis-seuse, dans une fraiseuse à basse vitesse. Bien entendu, d'autres applications pourraient être envisagées sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (11)

Revendications

1. Dispositif de réducteur différentiel comprenant un arbre d'entrée et un arbre de sortie aligné avec l'arbre d'entrée, caractérisé par le fait que l'arbre d'entrée (1) est prolongé par un axe cylindrique (2) qui est oblique par rapport à cet arbre d'entrée (1) et sur lequel est montée librement en rotation une roue intermédiaire (3) munie sur chacune de ses faces de zones annulaires d'engrenage (4, 5), cette roue intermédiaire (3) coopérant par sa zone annulaire d'engrenage (4) de sa face dirigée vers l'arbre d'entrée (1) avec une zone annulaire d'engrenage (6) conjuguée d'une roue fixe (7) disposée concen-triquement à l'arbre d'entrée (1), et par sa zone annulaire d'engrenage (5) de son autre face avec une zone annulaire d'engrenage (8) conjuguée d'une roue de sortie (9) solidaire de et concentrique à l'arbre de sortie (10), le rapport entre les diamètres primitifs des zones annulaires d'engrenage (4, 6; 5, 8) de l'une des faces de la roue intermédiaire (3) et de la roue (7 ou 9) avec laquelle elle coopère étant

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inégal à un et différent du rapport entre les diamètres primitifs des zones annulaires d'engrenage de l'autre face de la roue intermédiaire (3) et de l'autre roue (9 ou 7), de sorte que la rotation de l'axe oblique (2) entraîne un culbutage de la roue intermédiaire (3) et imprime ainsi une rotation démultipliée à la roue de sortie (9).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'endroit de liaison de l'axe oblique (2) à l'arbre d'entrée (1) est décentré par rapport à l'axe longitudinal de celui-ci, ledit axe oblique (2) étant orienté de façon à couper le prolongement dudit axe longitudinal, et que le centre de la roue intermédiaire (3) est situé au moins approximativement à l'intersection de l'axe oblique (2) et dudit prolongement de l'axe longitudinal de l'arbre d'entrée (1).

3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'axe oblique (2) est lié à l'arbre d'entrée (1) par l'intermédiaire d'un collet (2a) ayant un diamètre supérieur à celui de l'arbre d'entrée (1) et dont la face dirigée vers l'axe oblique (2) est inclinée d'un angle correspondant à l'obliquité de celui-ci, préférablement, l'arbre d'entrée (1), le collet (2a) et l'axe oblique (2) formant une seule pièce.

4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le diamètre primitif de la roue fixe 17) est inférieur de quelques pourcents à celui de la zone annulaire d'engrenage coopérante (4) de la roue intermédiaire (3), que le diamètre primitif de la roue de sortie (9) est inférieur de quelques pourcents à celui de l'autre zone annulaire d'engrenage (5) de la roue intermédiaire (3) et diffère lui-même de quelques pourcents du diamètre primitif de la roue fixe (7), et que les diamètres primitifs des deux zones annulaires d'engrenage (4, 5) de la roue intermédiaire (3) sont différents de quelques pourcents.

5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les zones annulaires d'engrenage sont constituées par des dentures frontales (4, 6; 5, 8), les nombres de dents des dentures de l'une des faces de la roue intermédiaire (3) et de la roue (7 ou 9) avec laquelle elle coopère étant différents.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les nombres de dents des dentures de la roue intermédiaire (3) sur les deux côtés sont différents, et chacun étant plus grand d'une dent que le nombre de dents de la roue (7, 9) avec laquelle elle coopère sur chaque côté.

7. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé par le fait que l'inclinaison de l'axe oblique (2) par rapport à l'arbre d'entrée (1) est comprise entre 5° et 15°.

8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l'axe oblique (2) est prolongé par un axe (11) aligné avec l'arbre d'entrée (1) et qui se loge dans un trou (13) de la roue (9) pour centrer ledit arbre d'entrée (1).

9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la roue fixe (7) sert de palier pour l'arbre d'entrée (1) et est formée comme une partie d'un boîtier et qu'elle constitue avec une douille (12, 12a) servant elle-même de palier pour l'arbre de sortie (10), un boîtier fermé.

10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'il se présente sous la forme d'un module interchangeable.

11. Pièce à main dentaire comportant un dispositif selon l'une des revendications précédentes.

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