Vis à rouleaux - Roller screw

Une vis à rouleaux , également connue sous le nom de vis à rouleaux planétaires ou vis à rouleaux satellites , est un actionneur à vis de précision à faible frottement , un dispositif mécanique permettant de convertir un mouvement de rotation en mouvement linéaire, ou vice versa. Les vis à rouleaux planétaires sont utilisées comme mécanisme d'actionnement dans de nombreux actionneurs linéaires électromécaniques . En raison de sa complexité, la vis à rouleaux est un actionneur relativement coûteux (jusqu'à un ordre de grandeur plus cher que les vis à billes ), mais peut convenir pour une haute précision, une vitesse élevée, une charge lourde, une longue durée de vie et des charges lourdes. utiliser des applications.

Les mécanismes à vis à rouleaux sont généralement intégrés aux systèmes de mouvement/positionnement dans une variété d'industries telles que la fabrication et l'aérospatiale.

Principe d'opération

Synchronisation de vis à rouleaux standard

Une vis à rouleaux est un actionneur mécanique similaire à une vis à billes qui utilise des rouleaux comme éléments de transfert de charge entre l'écrou et la vis au lieu de billes. Les rouleaux sont généralement filetés mais peuvent également être rainurés selon le type de vis à rouleaux. Fournissant plus de points d'appui que les vis à billes dans un volume donné, les vis à rouleaux peuvent être plus compactes pour une capacité de charge donnée tout en offrant une efficacité similaire (75 % à 90 %) à des vitesses faibles à modérées, et maintenir une efficacité relativement élevée à des vitesses élevées. Les vis à rouleaux peuvent surpasser les vis à billes en termes de précision de positionnement, de capacité de charge, de rigidité, de vitesse, d'accélération et de durée de vie. Les actionneurs à vis à rouleaux standard peuvent atteindre des charges dynamiques supérieures à 130 tonnes de force (dépassées dans la capacité de l'actionneur monobloc uniquement par les vérins hydrauliques ).

Les trois éléments principaux d'une vis à rouleaux planétaires typiques sont l'arbre de vis, l'écrou et le rouleau planétaire. La vis, un arbre avec un filetage en forme de V à plusieurs départs , fournit un chemin de roulement hélicoïdal pour plusieurs rouleaux disposés radialement autour de la vis et encapsulés par un écrou fileté. Le filetage de la vis est typiquement identique au filetage intérieur de l'écrou. Les rouleaux tournent en contact et servent d'éléments de transmission à faible friction entre la vis et l'écrou. Les rouleaux ont généralement un filetage simple avec des flancs convexes qui limitent le frottement aux contacts des rouleaux avec la vis et l'écrou. Les rouleaux tournent généralement autour de la vis lorsqu'ils tournent (à la manière d' engrenages planétaires à planétaires ), et sont donc connus sous le nom de rouleaux planétaires ou satellites. Comme avec une vis mère ou une vis à billes, la rotation de l'écrou entraîne un déplacement de la vis et la rotation de la vis entraîne un déplacement de l'écrou.

Pour un diamètre de vis et une quantité de filetage donnés, plus de rouleaux correspondent à une capacité de charge statique plus élevée, mais pas nécessairement à une capacité de charge dynamique plus élevée. Des écrous fendus et des écrous doubles préchargés sont disponibles pour éliminer le jeu .

Types de vis à rouleaux planétaires

Carl Bruno Strandgren a développé certaines des premières formes efficaces de vis à rouleaux et a déposé une demande de brevet à Nice, en France, en février 1942. Le brevet français n° 888.281 a été accordé en août 1943 et publié en décembre de la même année. La première vis à rouleaux commerciale a été conçue et fabriquée sous sa supervision en 1949 et a été montée sur une locomotive à voie étroite qui fonctionnait dans une mine de charbon du nord de la France. Les unités suivantes ont été produites et montées sur des machines-outils et à partir de 1955 sur des avions. À cette époque, Carl Bruno Strandgren a déposé une demande de nouveau brevet incorporant des calculs détaillés et des considérations de fabrication détaillées pour lesquelles il a obtenu des brevets américains pour un tel « mécanisme fileté à vis » en 1954, et les « dispositifs à écrou et à vis » et la « vis à rouleaux » en 1965.

Les types de vis à rouleaux sont définis par le mouvement des rouleaux par rapport à l'écrou et à la vis. Les quatre types de vis à rouleaux disponibles dans le commerce sont standard , inversée , à recirculation et à bague de roulement .

Des vis à rouleaux différentiels , généralement des variantes des types standard et à recirculation, sont également disponibles dans le commerce. Les vis à rouleaux différentiels modifient les rapports de vitesse de rotation entre les rouleaux et la vis en faisant varier les angles de flanc et les points de contact des filets ou des rainures. De cette façon, les vis à rouleaux différentiels modifient le pas effectif de la vis. William J. Roantree a reçu un brevet américain pour le "Differential Roller Nut" en 1968.

Vis à rouleaux planétaires standard

Dessin de brevet pour vis à rouleaux standard (1954), avec légende.

La vis à rouleaux planétaires standard est également connue sous le nom de vis à rouleaux sans recirculation. L'absence de mouvement axial du galet par rapport à l'écrou, et l'engrenage des galets à l'écrou, sont définitifs du type standard de vis à galet.

L'écrou et la vis ont des filetages identiques à plusieurs départs. Les rouleaux ont un filetage simple avec un angle correspondant au filetage de l'écrou. L'angle de filetage adapté empêche le mouvement axial entre l'écrou et le rouleau lorsque les rouleaux tournent. L'ensemble écrou comprend des bagues d'espacement et des couronnes dentées qui positionnent et guident les rouleaux. Les bagues d'espacement, qui tournent à l'intérieur des couronnes dentées, ont des trous équidistants qui agissent comme des paliers rotatifs pour les extrémités de pivot lisses (goujons) des rouleaux. Les couronnes dentées chronométrent la rotation et l'orbite des rouleaux autour de l'axe de la vis en engageant des dents d'engrenage près des extrémités des rouleaux. Les bagues d'espacement tournent sur l'axe avec la vis à l'unisson avec l'orbite des rouleaux. Les bagues entretoises flottent par rapport à l'écrou, fixées axialement par des bagues de retenue , car elles tournent autour de la vis à une fréquence ( vitesse angulaire ) inférieure à celle de l'écrou.

Configuration

Les vis à rouleaux standard sont généralement identifiées par le diamètre de la vis (généralement compris entre 3,5 mm et 200 mm) et le pas (1 mm - 62 mm). Le filetage de la vis (3 – 6 départs) est soit roulé (capacité inférieure) soit rectifié (capacité supérieure). Les diamètres de l'écrou et des rouleaux (7 à 14 en quantité) sont des fonctions simples du diamètre de la vis et du pas.

Où:

${\style d'affichage s_{d}}$est le diamètre de vis effectif, ou le diamètre de pas

${\style d'affichage r_{d}}$ est le diamètre effectif du rouleau

${\style d'affichage n_{d}}$ est efficace écrou diamètre intérieur

${\style d'affichage t}$ le filetage commence sur l'écrou et la vis

${\style d'affichage l}$ est un pas de vis

${\style d'affichage p}$est le pas de filetage du rouleau

Les relations suivantes s'appliquent aux vis à rouleaux standard et inversées :

Configurations courantes des vis à rouleaux standard

${\displaystyle n_{d}={\frac {s_{d}t}{t-2}}}$	${\style d'affichage \donc }$	rapport écrou/vis
		${\style d'affichage (n_{d}:s_{d})=1:{\frac {t}{t-2}}}$
${\displaystyle r_{d}={\frac {s_{d}}{t-2}}}$	${\style d'affichage \donc }$	rapport d'engrenage rouleau/vis
		${\style d'affichage (r_{d}:s_{d})=1:t-2}$
${\displaystyle r_{d}={\frac {n_{d}}{t}}}$	${\style d'affichage \donc }$	rapport d'engrenage du rouleau à l'écrou
		${\style d'affichage (r_{d}:n_{d})=1:t}$
${\displaystyle r_{d}={\frac {n_{d}-s_{d}}{2}}}$
${\displaystyle p={\frac {l}{t}}}$	${\style d'affichage \donc }$	rapport du pas de filetage du rouleau à
		pas de vis ${\style d'affichage (p:l)=1:t}$

Par exemple, si

Vis : 30 mm de diamètre, pas de 20 mm, 5 filets de départ

alors

Rouleaux : rouleaux de 10 mm de diamètre, pas de filetage de 4 mm

Écrou : diamètre effectif 50 mm.

Vis à rouleaux inversée

La vis à rouleaux planétaires inversée est également connue sous le nom de vis à rouleaux inversés. L'absence de mouvement axial du galet par rapport à la vis, et l'engrenage des galets à vis, sont définitifs du type inversé de vis à rouleaux planétaires. Ce type de vis à rouleaux a été développé en même temps que la vis à rouleaux standard.

Les vis à rouleaux inversés fonctionnent sur les mêmes principes que les vis à rouleaux standard, sauf que la fonction de l'écrou et de la vis est inversée par rapport aux rouleaux. Les rouleaux se déplacent axialement à l'intérieur de l'écrou, qui est allongé pour s'adapter à toute la course de l'arbre à vis. La partie filetée de l'arbre à vis est limitée à la longueur filetée des rouleaux. La partie non filetée de la tige de vis peut être de forme lisse ou non cylindrique. La couronne dentée est remplacée par des dents d'engrenage au-dessus et au-dessous de la partie filetée de l'arbre à vis.

Mis à part l'inversion de la relation des rouleaux à l'écrou et à la vis, la configuration et les relations des vis à rouleaux inversés correspondent à celles des vis à rouleaux standard.

Vis à rouleaux de recirculation

Dessin de brevet de vis à rouleaux à recirculation sans cage (2006), avec légende.

Le type à recirculation de vis à rouleaux planétaires est également connu sous le nom de vis à rouleaux de recyclage. Une vis à rouleaux à recirculation peut fournir un très haut degré de précision de positionnement en utilisant un filetage minimal. Les rouleaux d'une vis à rouleaux à recirculation se déplacent axialement à l'intérieur de l'écrou jusqu'à ce qu'ils soient réinitialisés après une orbite autour de la vis. Les vis à rouleaux de recirculation n'utilisent pas de couronnes dentées. Carl Bruno Strandgren a obtenu un brevet américain pour la vis à rouleaux de recirculation en 1965.

La vis et l'écrou peuvent avoir des filetages très fins identiques à un ou deux filets. Les rouleaux de recirculation sont rainurés (au lieu d'être filetés) de sorte qu'ils se déplacent axialement lors de l'engagement de la rotation avec les filets de l'écrou et de la vis, se déplaçant vers le haut ou vers le bas d'un pas de filet après avoir effectué une orbite autour de la vis. L'ensemble écrou comprend généralement une cage à fentes et des anneaux de came. La cage captive les rouleaux dans des fentes allongées, espaçant également les rouleaux tout en permettant la rotation et le mouvement axial des rouleaux. Les bagues à cames ont des cames opposées alignées avec une rainure axiale dans la paroi de l'écrou. Une fois qu'un rouleau a terminé une orbite autour de l'écrou, il est libéré dans la rainure, se dégage de l'écrou et de la vis et est poussé entre les cames jusqu'au milieu axial de l'assemblage de l'écrou (décalage d'une distance égale à l'avance de la vis). Revenu à sa position de départ, et réengagé à l'écrou et à la vis, le rouleau peut alors orbiter à nouveau la vis.

En 2006, Charles C. Cornelius et Shawn P. Lawlor ont reçu un brevet pour un système de vis à rouleaux à recirculation sans cage. Comme avec le système traditionnel de vis à rouleaux à recirculation, les rouleaux se dégagent de la vis lorsqu'ils arrivent sur une rainure axiale dans la paroi de l'écrou. Le système diffère en ce que les rouleaux sont continuellement engagés par l'écrou, et la rainure axiale de l'écrou est filetée. Des filets non hélicoïdaux dans la rainure axiale de l'écrou ramènent le rouleau à sa position axiale de départ (après avoir terminé une orbite). Des anneaux de compression non circulaires, ou anneaux de came, aux extrémités opposées des rouleaux (axes des rouleaux) appliquent une pression constante entre les rouleaux et l'écrou, synchronisant la rotation des rouleaux et poussant les rouleaux dans la rainure axiale de l'écrou. Faute de couronnes dentées et de cage à rouleaux, les vis à recirculation de rouleaux sans cage peuvent être relativement efficaces et, par conséquent, permettre des capacités dynamiques plus élevées pour certains diamètres d'arbre de vis.

Vis à rouleaux de bague de roulement

Dessin de brevet pour la vis à rouleaux Spiracon (1986), avec légende.

En 1986, Oliver Saari a obtenu un brevet pour une vis à rouleaux de bague de roulement, communément appelée par sa marque, Spiracon. Ce type fait correspondre l'orbite des rouleaux à la rotation de l'ensemble écrou. L'actionneur contient plus d'éléments de transfert de charge que les autres types, une bague de roulement et des paliers de butée , mais la fabrication des pièces constitutives est relativement simple (par exemple, les dents d'engrenage peuvent être supprimées).

Dans les autres types de vis à rouleaux ci-dessus, les charges sont transférées de l'écrou à travers les rouleaux vers la vis (ou dans l'ordre inverse). Dans ce type d'actionneur, des paliers de butée et une bague de roulement cannelée à rotation libre transfèrent les charges entre les rouleaux et l'écrou.

La vis a un filetage multi-start. Les galets et la bague tournante d'encapsulation sont rainurés de manière identique, non filetés, il n'y a donc pas de mouvement axial entre les deux. L'ensemble écrou comprend un boîtier cylindrique coiffé par des bagues d'espacement non rotatives. Les bagues d'espacement ont des trous équidistants qui agissent comme des paliers rotatifs pour les extrémités de pivot lisses (goujons) des rouleaux. Les paliers de butée à rouleaux entre les bagues d'espacement et la bague de roulement permettent une rotation libre de la bague de roulement tout en transférant la charge axiale entre les deux.

Les rouleaux agissent comme les « filetages » de l'assemblage de l'écrou, provoquant un mouvement axial de la vis rotative en raison de leur retenue orbitale. La rotation de la vis fait tourner les rouleaux, qui font tourner la bague de roulement, dissipant le frottement induit par la charge en cours de route.

Timothy A. Erhart a obtenu un brevet américain en 1996 pour un actionneur linéaire incorporant efficacement une vis à rouleaux à bague de roulement inversée. L'arbre de la vis est rainuré sur la longueur et pour correspondre aux rouleaux rainurés qui se déplacent avec l'arbre. La bague de roulement est allongée et filetée à l'intérieur pour la longueur de la course de l'arbre à vis. Le boîtier de l'ensemble écrou et la bague d'extrémité scellée forment l'extérieur de l'ensemble actionneur.

Voir également

• Vis à billes
• Vis-mère
• Actionneur linéaire

Les références

Liens externes