Tests de performances des transmissions planétaires à très basses températures

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21815 (2022) Citer cet article

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Cet article présente les résultats d'une étude sur la résistance au mouvement dans une transmission planétaire à plusieurs étages, construite avec des matériaux structurels légers tels que l'alliage d'aluminium 2017, avec des nœuds de roulement dotés de roulements à billes en acier en alliage X65Cr14 et lubrifiés avec de la poudre de bisulfure de molybdène. Les détails de la construction des engrenages planétaires ont été présentés, suivis de tests de performances opérationnelles. Au cours des tests de performance, la température de la transmission en marche a été progressivement abaissée avec de l'azote liquide jusqu'à − 190 °C. L'analyse a porté, entre autres, sur la consommation électrique du mécanisme en fonction de la température. Les résultats ont été comparés aux paramètres des mécanismes fonctionnant déjà dans l'espace. Les mesures ont été effectuées pour confirmer l'applicabilité de l'engrenage dans les systèmes d'entraînement des manipulateurs destinés à fonctionner dans un espace ouvert ou dans des conditions extraterrestres comme sur Mars.

Les engrenages planétaires et à ondes de contrainte ont les conceptions les plus compactes. Dans les transmissions planétaires, le couple transmis par l’engrenage est réparti presque également sur plusieurs roues dentées. Généralement, leur nombre varie de 3 à 6, ce qui permet une capacité de charge élevée malgré la taille compacte de l'engrenage. De plus, ces transmissions sont généralement conçues pour un rapport de démultiplication de 4 à 10, offrent une stabilité élevée et un rendement d'environ 97 %1. Des rapports de démultiplication encore plus élevés, jusqu'à 5 000, sont offerts par une transmission planétaire différentielle à deux étages2, mais la conception d'une telle transmission est compliquée.

Les trains planétaires peuvent être utilisés dans diverses configurations comme réducteurs, multiplicateurs et différentiels1. Dans l'ensemble d'engrenages décrit dans cet article, une configuration de réducteur a été utilisée avec la couronne fixe, le planétaire positionné sur l'arbre d'entrée et le support de pignon connecté à l'arbre de sortie. La figure 1 montre un schéma du mécanisme du train épicycloïdal à quatre étages conçu, dans lequel le support de pignon du dernier étage du train d'engrenages est relié à une partie du corps rotatif.

Schéma de l'engrenage planétaire conçu.

Les températures auxquelles la transmission est censée fonctionner n'existent pas sur Terre. Ainsi, lorsqu'on essaie de trouver des conceptions comparables, il faut principalement se tourner vers les solutions appliquées aux machines utilisées sur Mars. Les températures à la surface de Mars varient de − 140 à 27 °C car la planète est 1,52 fois plus éloignée du Soleil que la Terre. C’est pourquoi seulement 43 % de l’énergie qui atteint la Terre atteint une surface équivalente à la surface de Mars3,4.

Compte tenu des conditions sur Mars, les équipements utilisés, y compris les engrenages, doivent résister à des températures très basses, ce qui a été discuté dans les études sur la conception des atterrisseurs et des rovers martiens. L'influence de la température sur les modifications du moment de frottement lors du fonctionnement de la transmission est également très importante5.

L'atterrisseur Mars Volatiles and Climate Surveyor était équipé d'un bras robotique, un manipulateur à quatre degrés de liberté. Ses actionneurs étaient capables de générer un couple de respectivement : 26 Nm, 91 Nm, 53 Nm et 10 Nm en fonctionnement normal, et un couple momentané de pointe 50 % plus élevé. Les actionneurs ont été conçus comme un engrenage à deux étages contenant un engrenage planétaire et un engrenage harmonique ou un engrenage planétaire et un engrenage conique. Les engrenages étaient entraînés par des moteurs à balais à courant continu. Les rapports globaux des actionneurs étaient de 4 000 et 16 000. Les systèmes mécaniques des actionneurs ont été conçus pour fonctionner à des températures comprises entre − 105 °C (− 90 °C) et 35 °C ; pour les protéger des conditions climatiques plus extrêmes, les joints ont été équipés de radiateurs de 1 W et 4 W6,7,8. Les résultats des tests sur l'effet de la température sur l'ampérage requis par les moteurs des actionneurs pendant le fonctionnement à vide ont montré qu'avec une diminution de la température, la puissance utilisée par l'actionneur augmentait considérablement.