dimensionnement engrenage "mixte" vis sans fin-crémaillère

[AndreLup]

Bonjour,
je vous présente un problème duquel je n'arrive pas à sortir.

J'ai le mécanisme d'engrenages qu'on peut voir sur cette image:

La roue à pas gauche en rouge (n° 1) est le composant qui mène le système.
Elle est connectée à l'arbre de ce petit micromoteur pas à pas (première colonne, code 16239) et produit la rotation de la vis sans fin en gris.
La vis sans fin, à la fois, produit la rotation de la roue à pas gauche en blanc (n° 2), qui représente la sortie du système.

Tout est miniaturisé: figurez-vous que la roue en rouge fait 11 mm de diamètre et le reste il est proportionné.

J'ai lu les autres discussions de ce forum et j'ai appris que le couple en entrée est conservée et fourni en sortie:
- à peu près identique en valeur, à cause des frottements entre les engrenages et du rendement;
- différent en vitesse, selon les dimensions des composants.

Le micromoteur que je vais utiliser fournit un couple de 1.1 in-oz, c'est à dire environ 0.75 N-cm.
En étant un micromoteur pas à pas, l'intéret c'est de controler la rotation de la roue en sortie. Par exemple, je veux savoir que à X pas de la roue 1 correspondent Y pas de la roue 2.
La présence de la vis sans fin est indispensable, car on a besoin de garantir l’irréversibilité du système: juste la roue 1 en rouge doit pouvoir mener le système.
Le mouvement de rotation du micromoteur ne sera pas vite mais très lent, comme on a besoin d'un haut niveau de précision. Et il sera possible dans les deux sens, horaire et antihoraire.

Mon problème c'est donc de dimensionner les 3 composants pour obtenir une bonne transmission de la rotation.
Sur l'image les deux roues ont la meme dimension; dans le vrai mécanisme, la roue de sortie n° 2 sera beaucoup plus grande. Je propose donc d'indiquer les rayons symboliquement, par exemple R1, R2 et Rv pour la vis.
Est-ce que c'est possible de trouver une formule qui puisse me donner la vitesse (et le couple) en sortie en fonction de la géométrie du système et de la vitesse et du couple en entrée?

Merci d'avance de vos réponses, bon après-midi
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[AndreLup]

Je viens de lire cette autre discussion similaire et j'ajoute des informations plus précises (je m'excuse avec la modération de ce double message).

Mon but c'est d'obtenir un couple en sortie le plus possible similaire, en valeur, à celui en entrée.
Je me demande alors:
- combien de filets c'est mieux de prévoir pour la vis, pour améliorer le rendement? (dans mon exemple ils sont 5)
- est-ce que le matériau choisi pour les pièces influence les prestations du système?
- compte tenu des dimensions réduites, y a-t-il une valeur de Module (concept que je n'ai pas bien clair encore...) à choisir plus conseillé?

Merci beaucoup de votre collaboration

[Tifoc]

Bonjour,
Il y a des problèmes dans votre système !
Primo, ce n'est pas le couple qui est conservé au rendement près, mais la puissance P qui vaut le produit du couple C par la vitesse de rotation w (omega grec normalement...).
Donc si la vitesse de sortie diminue (relativement à celle d'entrée bien sûr), le couple augmente et inversement.
Le rendement (et là il va y en avoir un sacré !) fait que la puissance de sortie est diminuée par rapport à celle d'entrée. Sur un engrenage, cela se traduit obligatoirement par une diminution du couple (par rapport à sa valeur attendue).

[Tifoc]

Deuxio (et pardon pour le bug ), une système roue et vis sans fin est, souvent, irreversible. C'est à dire que la vis peut toujours entrainer la roue, mais l'inverse n'est vrai qu'en considération des angles de denture (et des matériaux). En gros, il faut que les filets de la vis soient "peu inclinés" par rapport à l'axe pour que la roue puisse l'entrainer (c'est une image, la réalité se calcule). Et de toutes façons, ça induit un rendement horrible...

Cordialement,

[A voir en vidéo sur Futura]

[Tifoc]

tertio (parce que je viens de relire votre post ), vous voulez bien gérer un problème d'irreversibilité donc. Et bien votre système n'est pas dans le bon sens (ou alors j'ai rien compris )

[AndreLup]

une système roue et vis sans fin est, souvent, irreversible. C'est à dire que la vis peut toujours entrainer la roue, mais l'inverse n'est vrai qu'en considération des angles de denture (et des matériaux). En gros, il faut que les filets de la vis soient "peu inclinés" par rapport à l'axe pour que la roue puisse l'entrainer (c'est une image, la réalité se calcule). Et de toutes façons, ça induit un rendement horrible...

[...]

tertio (parce que je viens de relire votre post ), vous voulez bien gérer un problème d'irreversibilité donc. Et bien votre système n'est pas dans le bon sens (ou alors j'ai rien compris )

Merci de vos réponses
Peut-etre je ne me suis pas bien expliqué... désolé, j'essaie à nouveau
J'aurai des efforts sur la roue 2, celle en blanc. Ces efforts tendront à la faire tourner autour de son axe. Moi je veux que cette rotation soit neutralisée (interdite) par la structure à vis sans fin.
Dans ce sens là, donc, j'aurai une irréversibilité et je pensais d'exploiter l'irréversibilité naturellement offerte par le système à vis sans fin; comme vous dites, normalement ça c'est garanti.
Après, comme je ne peux pas actionner directement la vis (je n'ai pas d'espace pour positionner le moteur au long de l'axe de la vis), j'ai pensé d'ajouter la roue n°1 qui à la fois agit sur la vis.
En faisant comme ça, mon idée c'était de "transférer l'actuation" de la roue à la vis et voilà

J'espère avoir bien expliqué cette fois-ci

[Tifoc]

C'était donc juste la première fois...
Bon : vous admettez l'irreversibilté de la roue blanche à la vis. Et bien il y a exactement la même de la roue rouge à la vis...

[AndreLup]

excusez-moi, je ne comprends pas votre réponse.
pouvez vous m'indiquer où je me trompe, s'il vous plait?

Voilà comme je l'ai imaginé:

* Actuation: le moteur actionne la roue 1 -> la vis tourne -> la roue 2 tourne.

* Efforts: la roue 2 subit les efforts et tend à tourner -> elle est bloquée par la vis, qui ne tourne pas -> tout reste bloqué.

Cela n'est pas d'accord avec ce que vous avez expliqué par rapport au fonctionnement classique de la vis sans fin?

[AndreLup]

Je suis bete c'est officiel!
Ok, alors disons que je dois forcément changer de structure.

Si je connecte directement la vis sans fin au moteur, verticalement comme l'axe de la roue 1, est-ce que l’irréversibilité marchera pour n'importe quel nombre de roues entre la vis et la roue de sortie?
Pour mieux m'expliquer: imaginons la séquence moteur -> vis -> roue_intermédiaire -> roue_Sortie .
Un système comme ça serait toujours irréversible ou l'irréversibilité est garantie seulement avec la vis et une roue?

merci de votre patience

[Tifoc]

L'irreversibilté se situe au contact roue/vis. Donc vous pouvez mettre autant de roues que vous voulez en aval de la première.
Maintenant je ne vois pas trop l'intérêt : une seule ne suffit pas ?
Dernière chose (mais je l'ai déjà écrit) : l'irreversibilité dépend de la gométrie (angle d'inclinaison de denture) et des matériaux. Donc méfiance...
Et si ça vibre, ça joue aussi (c'est que je me méfie maintenant avec vous , c'est pour mettre dans la hanche cette fois ? )

[AndreLup]

D'accord, merci.
En fait c'est toujours le meme projet (comment #43) et l'idée c'est que la roue de sortie soit la partie inférieure du plateau blanc, à faire glisser dans le plateau gris. Cette surface à sa courbure et je pensais de la doter des dents correspondants pour obtenir sa (très petite) rotation et sa translation latérale.
Mais là je crainis que je dois à nouveau changer d'approche... je suis en train d'évaluer aussi le frottement et le blocage. J'ai la sensation qu'un micromoteur si faible (forcément, compte tenu des dimensions) ne puisse pas arriver à bouger la structure et à garantir son blocage.
La limite principale c'est vraiment l'espace... il est si faible que je ne me peux pas permettre une structure assez grande et solide
Merci quand meme et félicitations pour la bonne mémoire

[Zozo_MP]

Bonsoir andrelup

Désolé de venir une fois de plus casser vos jolies jouets mais votre truc ne marchera pas.

Tifoc le dis plus gentiment.

On résume un vis sans fin grise peu facilement faire tourner l'engrenage 1 OU 2

L'engrenage 1 ou 2 ne peuvent pas faire tourner la vis ou du moins pas dans la forme que vous avez dessiné. C'est ce que nous appellons dans le jargon métier l'irréversibilité.
Un engrenage simple avec deux pignons, l'un peu entrainer l'autre et vice versa
La vis peut faire tourner le pignon mais le pignon ne fera pas tourner la vis.

De plus pour votre problème de prothèse vous avez un autre problème il faut qu'au moment ou vous allez déplacer le système lenticulaire vous n'ayez absolument aucune frottement (tibia en traction) à la moindre friction votre moteur sera incapable de bouger quoi que se soit.

De plus votre micro-moteur n'est pas le bon choix car vous n'avez pas mis ni la pile, ni le système de commandes ni les engrenages ni le support des axes du renvoi d'angle.
De plus comme entre le moment ou implanterez l'accu et le moment ou vous l'utiliserez pour la première fois il va se passer au minimum 6 mois il ya de forte chance que votre batterie LI soit déjà affaiblie.
De plus mettre un pile dans une prothèse de genou qui ne va servir qu'une fois ou deux et qui va resté là sans rouiller jusqu'à la prochaine opération 10 ans après cela ne me paraît pas très fameux comme système.

Si vous tenez absolument à mettre un micro moteur alors autant en utiliser un qui est déjà mieux adapté à votre problème et qui va réduire sérieusement la complexité.

regardez ici les squiggle il en existe aussi en technologie piezo si je retrouve et la doc ici pour le plus petit

De toute façon vous aurez surtout le problème électrique et le pilotage du micro moteur et avec des couples moteur relativement faible.

[HS On]
Je suis persuadé qu'il doit y avoir une solution mécanique simple par un ou deux boutons poussoir accessibles en post-op sans blesser les tissus à travers le genoux et sans réouvrir.
cf. l'autre post sur le sujet
[HS Off]

[AndreLup]

De plus pour votre problème de prothèse vous avez un autre problème il faut qu'au moment ou vous allez déplacer le système lenticulaire vous n'ayez absolument aucune frottement (tibia en traction) à la moindre friction votre moteur sera incapable de bouger quoi que se soit.

Bonjour Zozo_MP et merci de votre contribution. Je suis d'accord avec vous, comme j'ai écrit dans mon dernier message après une évaluation du frottement et des possibilités de blocage je crains que cette approche ne puisse pas marcher. Si pour le positionnement ça pourrait aller (grace à la position allongée du patient il n'y aurait pas trop d'effort sur le système), je pense que ce ne soit pas possible de garantir une bonne solidité à l'ensemble déjà pendant les premiers pas après la correction. J'ai réalisé tout ça après avoir lancé la discussion et j'apprécie que vous confirmiez "plus officiellement" mes impressions

De plus votre micro-moteur n'est pas le bon choix car vous n'avez pas mis ni la pile, ni le système de commandes ni les engrenages ni le support des axes du renvoi d'angle.

Bien sur j'ai pris en considération ces aspects. Le système de commande est nécessaire pour un micromoteur pas à pas et il faut forcément ajouter de la circuiterie pour le controler, surtout avec le haut niveau de précision qu'on souhaite. J'ai parlé avec quelqu'un ici qui travaille dans le sujet de l’électronique et on a vu que la difficulté c'est, à nouveau, de miniaturiser les composants et la plaquette de base où ils sont montés. Malheureusement il y a aussi le problème du micromoteur et de son compromis puissance-dimensions. En essayant de faire marcher tous ces aspects ensemble j'ai conclu, comme vous avez écrit, que très probablement ça ne marchera pas. Au niveau de la miniaturisation on pourrait surement obtenir un bon résultat, mais avec quelque chose de inefficace pour le système.

De plus comme entre le moment ou implanterez l'accu et le moment ou vous l'utiliserez pour la première fois il va se passer au minimum 6 mois il ya de forte chance que votre batterie LI soit déjà affaiblie. De plus mettre un pile dans une prothèse de genou qui ne va servir qu'une fois ou deux et qui va resté là sans rouiller jusqu'à la prochaine opération 10 ans après cela ne me paraît pas très fameux comme système.

Pour la pile, franchement, je n'ai pas très bien cherché encore. Là j'avais vu que les piles des pacemakers durent en moyenne 8 ans en fonctionnant en continu, donc ça ne me semblait pas impossible de trouver une petite batterie appropriée pour notre type d'application et nos critères d'utilisation. Je suis sur qu'au jour d'aujourd'hui on est arrivé à développer des batteries qui offrent des critères de biocompatibilité très intéressants, mais j'avoue de n'avoir pas très bien suivi cette question. Je le ferai.

Si vous tenez absolument à mettre un micro moteur alors autant en utiliser un qui est déjà mieux adapté à votre problème et qui va réduire sérieusement la complexité.
regardez ici les squiggle il en existe aussi en technologie piezo si je retrouve et la doc ici pour le plus petit
De toute façon vous aurez surtout le problème électrique et le pilotage du micro moteur et avec des couples moteur relativement faible.

Merci de ces liens, pendant ces derniers jours j'ai vu ce type de moteur et je l'ai laissé comme alternative intéressante "à explorer" je vais donc me renseigner sur ça tout de suite!

Je suis persuadé qu'il doit y avoir une solution mécanique simple par un ou deux boutons poussoir accessibles en post-op sans blesser les tissus à travers le genoux et sans réouvrir.
cf. l'autre post sur le sujet

Comme je vous ai déjà dit, je suis parfaitement d'accord avec vous. Moi aussi je la considère une solution plus intelligente et logique, mais c'est à l'encontre de l'esprit du projet. Et jusqu'à quand mon ami le chirurgien ne se décidera à discuter avec moi, je dois poursuivre l'approche "sans aucun contact". Ce sera marrant, éventuellement, de découvrir que l'accès à la prothèse par des petites coupes soit envisageable.

[mécano41]

Bonjour à tous,

Juste histoire d'y mettre mon grain...(pas forcément de sable )...

Pour que le système dessiné montre un début de commencement de possibilité de fonctionnement il faudrait que :

- la vis grise entraînée par la roue rouge ait des filets à pas très grand (en fait ce serait un pignon hélicoïdal). La mise en rotation de ce pignon gris par le pignon rouge (qui serait en fait une vis) serait facile
- qu'il y ait une seconde vis sur l'arbre gris, entraînant la roue blanche avec un rapport tel que le système soit irréversible

ceci sans parler des dimensions et de la possibilité de construction dans l'espace imparti...

Idée en l'air ... on ne sait jamais ... je dis n'importe quoi : on cherche a faire un système animé et verrouillable

1- supposons que l'on sache faire un verrouillage genre "doigt qui tombe dans l'un des crans d'une roue en comportant beaucoup" ; ce verrou pourrait peut-être s'escamoter sous l'effet d'un aimant car il ne nécessite que peu d'effort
2- ensuite, il faut faire tourner la roue. On peut imaginer un genre de molette solidaire de la roue, directement ou par mécanisme intermédiaire. Ne pourrait-on pas actionner cette molette, à l'aide des doigts, au travers de la peau, exactement comme on peut faire avec deux doigt sur son genaou, en enserrant la rotule et en faisant glisser la peau dessus (évidemment la rotule ne tourne pas mais le mouvement de la peau existe et on peut relâcher et effectuer plusieurs fois le mouvement dans un sens ou dans l'autre...L'effort peut être relativement important. On peut vérifier, avancer ou reculer de nouveau...etc. Il suffit ensuite d'enlever l'aimant de déverrouillage et de faire retomber le système dans le cran le plus proche.

Mais, est-ce que cela s'inscrit dans l'espace prévu? ... et, même si cela fonctionne, est-ce dans la philosophie du corps médical? ...

Cordialement

[polo974]

Bonjour à tous,
je vous vois vous débattre avec ce fichu bidule...

Bon, en gros, si j'ai bien pigé le truc, il faut pouvoir monter et basculer gauche/droite une plaque de quelques mm.
Il faut que ça ne bouge pas tout seul.
Il faut qu'on puisse le faire bouger sans intrusion.

Donc comme proposé par zozo: un verrouillage débrayable par aimant, mais un débrayage par (pour chaque) vis (+gros diamètre, pas fin).


ensuite le moteur, soit c'est réaliste de mettre tout ça dans un corps (pb de graisses et autres largages, faudrait pas qu'on crée un pip-bis), soit il faut des actionneur par pression à travers la peau (et entre les ligaments).

On doit pouvoir faire un système à cliquets qui agit différentiellement sur les 2 vis, un point de pression pour visser, un point pour dévisser.

Si ces points ne sont pas saillant, on ne risque pas de s'y faire mal plus que ça.
Si le dévérouillage magnétique n'est pas activé, l'action sur ces points ne peut pas dérégler le genou (prévoir une souplesse pour ne pas risquer d'abimer la chose si le patient est maso et force sur le système).

les vis:
un bout sphérique et une coupelle plate dessus (pour maximiser la surface de pression)
prévoir plutôt 2 fois la charge par vis car en cas de choc, ça risque de faire mal et pas gentiment équilibré...
(par exemple une descente d'une marche et le genou qui ne peut pas plier (à cause d'un obstacle quelconque), bref, impossible d'amortir )

les plaques:
j'imagine assez bien un truc en Z, (2 "charnières piano" en série (qualité hosto-blindé)) un axe de chaque coté).
ces charnières vont devoir travailler dans presque tous les sens...


si vraiment le petit moteur est requis (mais ça me déplait à un point...):
monter sur le corp une roue qui entraine une vis, et sur l'axe une autre entraine l'autre vis.
monter le moteur libre en rotation (par rapport à l'os).
si une vis est libre et l'autre tenue (par le débrayage commandé) quand le moteur tourne, une des vis tourne et pas l'autre .
se débrouiller pour mettre la réception d'énergie et le pilotage fixe par rapport au moteur (libre par rapport à l'os et donc pas d'entortillement des fils).

[Zozo_MP]

Bonjour Polo

Ben !!! heu !!

Donc comme proposé par zozo: un verrouillage débrayable par aimant,

ce n'est pas mon idée mais celle de mécano41

Toutefois je plussois en précisant toutefois pour notre jeune collègue qu'à mon avis que l'aimant ne doit pas être à l'intérieur du genou mais à l'extérieur et attirer un pièce métallique.

Pourquoi ? Et bien tous les porteurs de pacemaker ou défibrillateur ne doivent pas approcher les aimants.

Imagine la personne lace ses souliers et rapproche donc sa poitrine du genou et son appareil électronique de l'aimant qui fout le basard dans l'implant. Il faudrait dans ce cas des pinces de 80 cm pour lasser ses souliers sans se pencher.
Il faudrait un type de pince pour les souliers, un pour les chaussettes et ....... (ha ! non ça je le dirais pas)

Pas glop !

Bon d'accord



Cordialement

[polo974]

Bonjour Zozo_MP,
donc:
Oups, rendons donc à mécano41 ce qui appartient à mécano41 (que je salue aussi en passant)...

Pour le déverrouillage par un aimant, en fait, je pensais plus à une sorte de clé magnétique,
combinaison de quelques pôles N et S, tels que si pas bon, pas de déverrouillage, et si possible pas besoin d'un champ façon IRM et cie...

Donc le champ devrait rester très localisé, et faible...

Si en plus, c'est dans le pli du genou (pas planqué par la rotule, et moins exposé aux chocs), ça ne devrait pas trop gêner...

[AndreLup]

ceci sans parler des dimensions et de la possibilité de construction dans l'espace imparti...

Bonjour mécano41 et merci de votre contribution
C'est bien ça le problème... il n'y a pas vraiment d'espace pour envisager une structure complexe, alors que la fonction de l'actionnement à obtenir est bien complexe.

On peut imaginer un genre de molette solidaire de la roue, directement ou par mécanisme intermédiaire. Ne pourrait-on pas actionner cette molette, à l'aide des doigts, au travers de la peau, exactement comme on peut faire avec deux doigt sur son genaou, en enserrant la rotule et en faisant glisser la peau dessus (évidemment la rotule ne tourne pas mais le mouvement de la peau existe et on peut relâcher et effectuer plusieurs fois le mouvement dans un sens ou dans l'autre...L'effort peut être relativement important. On peut vérifier, avancer ou reculer de nouveau...etc. Il suffit ensuite d'enlever l'aimant de déverrouillage et de faire retomber le système dans le cran le plus proche.

Cette principe de fonctionnement serait très facile et immédiat, mais je ne crois pas que la transmission de la force à travers des tissus du genou soit efficace. Après la pose de la prothèse, le genou est "fermé" à nouveau et l'articulation résulte comme une boite. La rotule est remise à sa place et à priori je crains que son équilibre soit trop délicat pour envisager un "actionnement manuel" à travers.
Par contre, je pense (en attente de confirmation officielle) qu'on puisse bien avoir la sensation tactile des cotés de la prothèse si on touche avec les doigts les cotés du genou. A ce point là, comme Zozo_MP l'a déjà dit, on pourrait envisager une petite incision de 5 mm de chaque coté de façon qu'on puisse accéder, avec un tournevis dédié, à l'actionnement d'un mécanisme miniaturisé qui se trouve déjà à l'intérieur de la prothèse. Par rapport à l'actionnement manuel que vous venez de proposer ça me semble déjà mieux, car avec l'instrument externe et le genou bien bloqué on peut atteindre des forces plus importantes et, surtout, un niveau de précision bien plus haut. Qu'est-ce que vous en pensez? (je répète, c'est à Zozo_MP le mérite de cette idée)

Bonjour à tous,
je vous vois vous débattre avec ce fichu bidule...

Bonjour polo974, merci de votre intervention.
Malheureusement je n'arrive pas à voir ce que vous proposez avec la partie à charnière. Sera-t-elle solide?
D'ailleurs, je préférerais ne pas trop mélanger plusieurs approches. Comme, évidemment, le micromoteur n'est pas une bonne solution (il pose beaucoup de problèmes, comme vous l'avez précisé), à mon avis ce serait mieux d'avoir tous les mécanismes actionnés par l'extérieur. Le blocage doit etre bien solide et avec l'épaisseur très réduit qu'on a à disposition j'ai l'impression qu'on ne pourrait pas controler très précisément le positionnement, par exemple, d'un composant métallique bougé par un champ magnétique externe.
A la louche (pas du tout fiable de ma part :P) je vois plus controlable et surtout solide un système actionné à la fois par un autre petit truc dédié (avec sa propre incision etc etc...). Mais bon, j'aime bien pouvoir évaluer différentes possibilités

Merci à tous d'avoir continué à animer cette discussion, vos messages m'aident beaucoup.