Train épicycloïdal : un type de locomotive utilisant un mécanisme épicycloïdal

Le train épicycloïdal est un système de transmission mécanique doté de deux niveaux de mobilité à l’image du différentiel. Cela signifie que trois essieux ayant des vitesses de rotation différentes sont reliés entre eux par une seule relation mathématique. Pour connaître la vitesse de rotation du troisième essieu, il faudra déterminer les vitesses de rotation des deux essieux.

Description

Le train épicycloïdal est souvent utilisé pour la réduction de vitesse, car il offre un rapport de réduction élevé avec la même forme compacte qu’un simple engrenage. Ceci est important pour la conception des hélicoptères (vitesses de turbine très élevées, vitesses de rotor très faibles, contraintes de poids). Ces trains sont également couramment utilisés dans les parties de sortie des moteurs électriques (voitures électriques, bicyclettes, tournevis portables, actionneurs de précision, etc.), etc.

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Un train d’engrenages épicycloïdal, qui se compose généralement d’engrenages (également de rouleaux de friction), est constitué des éléments suivants :

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• Deux arbres coaxiaux, appelés engrenages planétaires (les engrenages intérieurs sont parfois appelés « engrenages solaires » et les engrenages extérieurs « couronnes »).
• Des satellites engagés dans les deux engrenages solaires et tournant autour du même axe.
• Corps planétaire
• Anneau ou engrenage.

Le terme épicycloïdal est dérivé de l’orbite épicyclique d’un point du satellite observé par rapport au planétaire intérieur. Cependant, une hypocycloïde est observée lorsqu’une référence du mouvement, souvent fixe dans la boîte de vitesses, est utilisée comme point de référence.

Trains parallèles

Avec les trains parallèles, les deux engrenages planétaires concernés peuvent être soit périphériques (engrenages externes), soit centraux (engrenages internes). Cela conduit à quatre configurations. Par ailleurs, les engrenages planétaires et le porte-satellites ont le même axe de rotation.

Trains sphériques

Cette configuration est utilisée dans les différentiels automobiles. L’axe de rotation des satellites est perpendiculaire à l’axe de rotation des engrenages planétaires. Par conséquent, les engrenages sont creux et les engrenages planétaires entrainent la rotation des planétaires.

Si les deux engrenages ont la même résistance à la force, les engrenages planétaires ne tourneront pas. Le couple transmis à chacun des engrenages solaires sera identique.

Les réducteurs épicycloïdaux

Les trains hélicoïdaux sont principalement utilisés pour réduire la vitesse d’un essieu d’un certain rapport. On les trouve dans les transmissions automatiques ainsi que dans de nombreuses transmissions combinées à des moteurs électriques. L’arbre de sortie est coaxial à l’arbre d’entrée pour faciliter l’utilisation. Ils ont une grande capacité de réduction de la vitesse. Habituellement, trois satellites sont montés sur le porte-satellite.

Cela signifie que les forces exercées sur les engrenages ne peuvent pas être absorbées par les roulements. Par conséquent, les réducteurs sont particulièrement adaptés à la transmission de couples élevés. La combinaison d’un moteur électrique et d’un moteur à combustion interne donne lieu à une transmission à variation continue.

Ils peuvent également être utilisés en tant que multiplicateurs ou comme dans les éoliennes. Là également, la construction compacte et l’absence de forces radiales sur les paliers des arbres d’entrée et de sortie ont été des facteurs clés de leur adoption. Les améliorations de Mitsubishi Electric en 1982 et brevets de l’entreprise Ainsi à partir de 1996 ont permis à GKN et Toyota de développer le système hybride en parfaite continuité.

Principe et architecture

Dans le modèle de train le plus simple, l’engrenage solaire (ou la couronne) peut être fixé par un embrayage ou un autre moyen pour éliminer la mobilité.

L’arbre d’entrée est relié à l’engrenage interne. En tournant, il fait rouler le satellite à l’intérieur de l’engrenage. La porteuse du satellite bouge comme une manivelle. Le porte-satellite est l’arbre de sortie de l’appareil. Dans cette configuration, l’arbre de sortie tourne dans le même sens que l’arbre d’entrée, mais à une vitesse plus lente.

Rapport de transmission

Le rapport de transmission est la caractéristique la plus importante d’un dispositif de transmission de puissance, notamment pour les réducteurs. C’est le rapport entre la vitesse (ou la fréquence) de l’arbre de sortie et la vitesse de l’arbre d’entrée. Il est souvent remplacé par son inverse, le rapport de réduction, qui est inférieur à 1 en cas de décélération.

Avantages et inconvénients des trains épicycloïdaux

Les trains épicycloïdaux offrent plusieurs avantages. Leur conception compacte et l’utilisation de pignons planétaires permettent une réduction significative de la taille globale du mécanisme par rapport à un système traditionnel. Les trains épicycloïdaux sont généralement très efficaces car ils permettent des rapports de transmission élevés en utilisant moins de pièces qu’un système traditionnel.

Les trains épicycloïdaux présentent aussi quelques inconvénients. Dans certains cas, ils peuvent être plus coûteux à produire que les systèmes traditionnels en raison de la complexité supplémentaire impliquée dans leur fabrication. Certains modèles peuvent être bruyants ou générer des vibrations indésirables si le mécanisme n’est pas bien conçu ou assemblé correctement.

Vous devez noter que malgré leurs avantages en termes d’efficacité et d’encombrement réduits, les trains épicycloïdaux ne conviennent pas à toutes les applications et tous les environnements. Par exemple, dans certains cas où la précision est primordiale, les systèmes conventionnels avec engrenage cylindrique sont préférés pour leur fiabilité. Vous devez peser soigneusement les avantages potentiels d’un train épicycloïdal pour une application donnée contre ses limitations.

Applications et exemples d’utilisation des trains épicycloïdaux

Les trains épicycloïdaux ont une grande variété d’applications dans différents domaines. Ils sont utilisés pour la transmission de puissance et le contrôle de mouvement dans les machines-outils, les véhicules automobiles, les robots industriels, l’aérospatiale et bien d’autres industries.

L’un des exemples les plus connus de l’utilisation des trains épicycloïdaux est leur utilisation dans les transmissions automatiques pour voitures. Les trains épicycloïdaux offrent un moyen efficace et économique de changer rapidement la vitesse entre le moteur et l’essieu du véhicule. Dans ces transmissions, plusieurs pignons planétaires tournent autour d’une couronne centrale fixe qui sert à maintenir la puissance transmise au système d’entraînement constant.

Un autre exemple est l’utilisation des trains épicycloïdaux en tant que réducteurs dans les éoliennes industrielles. Les éoliennes doivent tourner à des vitesses spécifiques afin de produire une quantité optimale d’énergie électrique, mais si elles tournent trop vite ou trop lentement, cela peut endommager le générateur électrique associé.

Dans ces situations critiques où il y a besoin de régulation précise du mouvement avec un fort couple disponible sur toute la plage de rotation possible ainsi qu’une compacité importante (pour faciliter le positionnement), les trains épicycloïdaux, grâce à leur faible masse inertielle, peuvent fournir tous ces avantages tout en garantissant une performance fiable pendant longtemps.

On constate donc que les trains épicycloïdaux sont de plus en plus populaires dans l’industrie en raison de leur efficacité, leur compacité et leur grande versatilité.