Ce wiki accompagne le processus de recherche-action au coeur du projet Kosmos
Etude de reproductibilité du réducteur kosmos
Date
08.08.2022
Qui a rencontré le problème
Maël Boussange
Description du problème
Problème : Le réducteur du KOSMOS 2 est trop bruyant.
De manière à garantir une observation discrète des écosystèmes marins, le système kosmos doit être le moins bruyant possible. Due à sa plus grande densité, on estime que le son se propage 4 fois plus vite dans l’eau que dans l’air. Il est ainsi primordial de garantir une réduction drastique du bruit généré par les engrenages.
Pour différentes raisons qui seront développés ci-dessous, la première reproduction (réducteur k2) est beaucoup trop bruyante et risque de perturber la cohérence des relevés vidéos. Nous allons ainsi tenter de déterminer les sources de ces nuisances sonores puis allons proposer des améliorations ou des pistes de recherches afin de pallier à ce problème.
Plan d’action :
1 - Étude technologique : Déterminer les avantages et inconvéniants du système de réduction
2 - Analyse du problème : Déterminer les sources potentielles de bruit sur le réducteur K2.
3 - Réétude du montage et de la fabrication : Corriger les problèmes détectés dans la reproduction du réducteur, sans modifications technologiques.
4 - Étude de conception 1 : Proposer des améliorations techniques mineures en conservant le même mode de réduction si le bruit persiste.
5 - Étude de conception 2 : Proposer des améliorations techniques majeures si le mode de réduction actuel s’avère être encore trop bruyant.
Description de la solution
Étude technologique
Comparaison de la version actuelle avec le système staviro : avantages et inconvénients
Cette première partie permet de faire une comparaison effective entre le système STAVIRO et le KOSMOS. Le STAVIRO étant le système de déploiement initial développé par l’IFREMER depuis 2007 dont lequel le KOSMOS est inspiré.
Le but de cette partie est de rappeler les différences majeures de conception et de propositions technologique entre ces deux systèmes afin d’en observer les conséquences sur le bruit émis par le système de réduction.
Elle pourra notamment faciliter le regard porté sur la réalisation des études de conception (parties 4 et 5 du plan d’action) et aider à comprendre les enjeux de réalisation du système KOSMOS.
Avantages :
Le système STAVIRO n’est muni que de deux engrenages, il y a donc qu’un seul contact de transmission.
Cela facilite grandement sa fabrication, sa reproduction, son montage et limite ainsi les erreurs de jeu ainsi de le bruit de contact (dents contre dents)
Inconvénients :
Les engrenages utilisés sont en métal usiné ce qui les rend certes plus performant mais plus lourd et difficilement reproductibles, du moins ils ne sont pas usinables au fab lab.
Concernant le moteur :
Avantages :
Le moteur est un pas à pas ce qui le rend relativement précis et facile à programmer. Il est lent en rotation contrairement au moteur brushless dont le KOSMOS est équipé.
Inconvénients :
Le moteur pas à pas est bruyant lorsqu’il tourne, contrairement au brushless.
Il n’est pas étanche ce qui le contraint à être isolé dans un caisson étanche
Avantage :
Le système KOSMOS est muni d’une croix de malte ce qui permet de répartir mécaniquement les angles de rotation de la caméra de façon très précise.
Malgré la complexité du système de réduction, la reproductibilité est facile.
Nous utilisons du polyoxyméthylène (POM) pour fabriquer nos pièces ce qui les rends usinables sur des fraiseuses numériques courantes.
Le montage des engrenages est intuitif et se fait sans trop de difficultés.
Inconvénients :
Les engrenages sont au nombre de 8, soit 4 contacts dents à dents interposés qui viennent s’ajouter au mécanisme de la croix de malte.
Plus il y a de contacts, plus il y aura de bruits de contact dents à dents si le profil de denture n’est pas parfaitement usiné. Le système est donc plus difficile à dimensionner et les erreurs de jeu entre les dents sont beaucoup plus nombreuses.
Les deux axes de rotations doivent donc être parfaitement parallèles.
Il suffit d’une erreur de dimensionnement sur un pignon pour dérégler les autres contacts dents à dents
Le système est encombrant.
Concernant le moteur :
Avantage :
Le réducteur KOSMOS est équipé d’un moteur Brushless ce qui le rend silencieux et étanche.
Inconvénients :
Le moteur brushless tourne à très haute vitesse de rotation ce qui impose un système de réduction important.
Conclusion :
Le système STAVIRO est bruyant au niveau du moteur mais est bien plus facile à monter et à reproduire par la simplicité de sa mécanique.
Le système KOSMOS est équipé d’un moteur brushless pouvant être silencieux et étanche.
En revanche sa grande vitesse de rotation requiert une réduction importante.
Le système de réduction est donc plus complexe et les erreurs de précisions peuvent être importantes. Notamment le contact entre les dents des engrenages et le jeu entre les pièces sur l’arbre de rotation.
Analyse du problème
Test comparatif de comportement et de niveau sonore
Dans un premier temps nous allons réaliser une série de tests de manière à pouvoir comparer quantitativement le son émis par chacun des dispositifs de réduction.
Le test est réalisé dans une pièce pouvant maximiser l’isolation phonique. Il s’agit ici de la salle de bain de la “Tiny House” du Low tech lab que l’on peut modéliser par un caisson de bois de dimensions h=190cm l=200cm et L=70cm.
On placera chaque dispositif à 1m de la prise de son.
La prise de son est réalisée par l'application “Decibel X”.
Un calibrage du sonomètre est réalisé de manière à considérer le niveau sonore de la pièce à 0 dB.
Les valeurs de niveaux qui vont être relevés par la suite sont donc relatives à la calibration qui a été effectuée dans des mêmes conditions d’expérience (même capteur, même distance émission-réception, et niveau zéro identique). Nous pouvons donc comparer les résultats obtenus uns à uns mais il ne sera pas cohérent de comparer ces valeurs à d’autres niveaux sonores (transposition sur échelle décibels)
Le test est réalisé sur le Staviro, puis le KOSMOS 1 et enfin le KOSMOS 2
Pour chaque expérience un niveau sonore moyen et maximal sera relevé.
Un enregistrement sonore ainsi qu’une courbe de niveau est disponible pour chaque enregistrement.
Important :
Lorsqu’il effectue ses rotations, le K2 présente des angles pour lesquels la rotation s’effectue “normalement” (C'est-à-dire que seul un choc entre les dents serait principalement responsable du bruit) ainsi que d’autre angles pour lequel une sur-contrainte et des accouts apparaissent, générant donc un bruit plus important.
Nous distinguerons donc le cas dit “normal” et le cas “contraint” lors de l’expérience.
Cette génération plus importante de bruit pour certains angles du kosmos 2 met déjà en relief des erreurs de fabrication et ou de dimensionnement.
Comment comparer des niveaux sonores ?? :
Ajouter 3 dB correspond à multiplier l’énergie acoustique (l’intensité des vibrations) par deux.
Exemple : 26 dB est donc deux puissant que 23 dB et 23 dB est lui-même deux fois plus puissant que 20 dB.
🎧 Voici les enregistrements mp3 pour chaque essais :
Cette première expérience nous permet de comparer concrètement les différences de niveaux sonores entre nos systèmes et nous aide également à évaluer leurs comportements auditifs de manière à repérer d’éventuelles anomalies.
L’enregistrement du STAVIRO nous sert ici de témoin en comparaison aux différents systèmes KOSMOS. En sachant que le STAVIRO a déjà été opérationnel nous devons réussir à obtenir un bruit au moins égal ou inférieur à celui émis par le STAVIRO.
Sachant que la principale source de bruit sur le STAVIRO vient du moteur et que le KOSMOS est équipé d’un moteur silencieux, nous pouvons réussir à atteindre cet objectif en minimisant les nuisances provenant du réducteur.
KOSMOS 1 :
On observe que le K1 possède un niveau sonore moyen 4 fois supérieur à celui du STAVIRO.
Le niveau sonore est constant ce qui ne laisse pas entrevoir d’anomalies particulières.
En revanche, nous pouvons distinguer un grésillement métallique irrégulier provenant d’une rondelle qui n’est pas suffisamment maintenue (trop de jeu, et grosse différence entre le diamètre extérieur de l’arbre et le diamètre intérieur de la rondelle.)
Il est donc possible de réduire davantage le niveau sonore du K1 en ajustant ces rondelles.
KOSMOS 2:
On observe que le K2 possède un niveau sonore moyen entre 64 et 1024 fois supérieur à celui du STAVIRO, et 16 à 128 fois supérieur à celui du K1.
La nuisance sonore est ici concrètement quantifiable.
Le niveau sonore est constant dans le cas “normal” mais n’est pas constant dans le cas “contraint” ce qui laisse entrevoir des anomalies de reproduction.
Nous distinguons bien la vitesse plus élevée du moteur, il faudra donc essayer de la réduire au maximum.
Pistes de recherche :
→ Etude approfondie du réducteur K2 pour observer toutes les anomalies de conception et de fabrication.
→ Réduire la vitesse du moteur K2.
→ Changer les rondelles métalliques en un autre matériau moins bruyant.
Etude mécanique approfondie du réducteur KOSMOS 2
Le réducteur K2 a été démonté et méticuleusement observé de manière à relever toutes les anomalies de reproduction ou les causes de potentielles sources de bruit.
Dans un premier temps, nous énumérerons toutes les observations faites et leur impact sur le système, puis nous déterminerons dans un second temps des pistes d’amélioration.
Pour faciliter l'explication des problèmes mécaniques et la désignation des composants voici une vue de coupe du réducteur avec le nom de chaque pièces :
Lorsque l’on fait tourner manuellement les engrenages il est possible d’entendre une sorte de “ronronnement” au niveau des dentures. Ce bruit est causé par un choc régulier entre les dents des engrenages qu’il est possible de minimiser, voir supprimer si le profil de denture est parfaitement calculé et usiné. Cela dépendra des moyens dont dispose le fab lab sur la précision d’usinage.
Lorsque le réducteur tourne à haute vitesse (en particulier sur le K2), ce ronronnement devient bien plus fort et génère un bruit de fond important qui a été mesuré à au moins 32 fois supérieur au STAVIRO.
Ainsi la révision du profil de dentures et de l’usinage sur la minimisation des micro-chocs pourrait grandement réduire les nuisances sonores du réducteur KOSMOS.
Rondelles mobiles de mauvaises dimensions (différent des rondelles bloquant l’entretoise métalique)
Un jeu important entre le diamètre intérieur des rondelles mobiles et le diamètre extérieur de l’entretoise métallique vient causer des chocs. (rondelles RM.1, RM.2, RM.3, et RM.4).
Ces chocs entre pièces métalliques sont l’une des principales causes des nuisances sonores observées.
Un ajustage de ce jeu ou un changement de matériau doit être effectué.
De nouvelles rondelles inox aux bonnes dimensions peuvent être utilisées.
Un matériau “glissant” est préférable de manière à limiter les frottements.
Des rondelles imprimées en 3D sont envisageables de manière à pouvoir ajuster à notre guise le jeu intérieur ainsi que l’épaisseur. Elles peuvent être revêtues grâce à un traitement aux vapeurs d’acétone de manière à limiter les frottements.
Traces de chocs
Présence de traces, d’éraflures et de copeaux sur les dents des engrenages. Cela est probablement dû à des collisions, notamment entre l 'engrenage P2.1 de l’arbre primaire et la rondelle RM.3 de l’arbre secondaire. Cela peut également provenir de la fabrication des pièces.
Défaut de parallélisme des engrenages
Les engrenages ne sont pas parallèles les uns par rapport aux autres lorsqu’ils sont en rotation. Cela génère un oscillement des engrenages, augmente les chocs entre les dents et génère du bruit. Il y a un jeu trop important entre l'alésage de l'engrenage et le tube de rotation. Il faut réétudier le compromis serrage/jeu pour garder les engrenages bien droit sans pour autant freiner leurs rotations.
Mauvaise rotation des engrenages autour des leurs arbres
Lorsque l’on fait tourner manuellement un engrenage autour de son entretoise métallique il est possible de sentir un freinage important selon certains angles, en particulier l’entretoise métallique de l’arbre secondaire. Soit l'alésage de l’engrenage est mal usiné, soit le tube n’est pas parfaitement rond. Il semblerait que ce soit le tube, issu de récupération.
Ce freinage important entre les engrenages et l’arbre ne permet pas de leur conférer une rotation optimale. Le tube doit être changé.
Déformation de pièces imprimées en 3D
L’entretoise 3D supérieur de l’arbre primaire subit des déformations importantes lors du serrage de l’arbre (pièce R5). L'écrou s’enfonce petit à petit dans la pièce, cette dernière perd en hauteur et gagne en épaisseur au point de bloquer l'emboîtement de l’arbre primaire dans la partie haute du carter (R5 dans F2). La pièce a dû être réimprimée. Une nouvelle rondelle pourrait-être ajoutée entre l’écrou et la pièce R5 de manière à répartir les contraintes de serrage et minimiser les déformations.
Déformations importantes au niveau du bras de Malte
Le creux de tête de vis étant trop petit, la vis M5 jouant le rôle de bras d'engrènement de la croix de Malte a largement contraint puis déformé la base inférieure du bras lorsqu’elle a été vissé (la pièce P5.2 est voilée vers le haut). Les frottements entre la croix et le bras sont donc très importants, pouvant freiner le mécanisme. Ce défaut est probablement responsable des pics sonores due à la sur-contrainte (la pièce P4 rentre dans la pièce P5.2).
Il faut également vérifier le rayon d'engrènement entre le bras et la croix de malte de manière à ce que ces derniers glissent sans frotter et sans collisions.
Jeu important au niveau de l’arbre primaire
Jeu mesuré à ~0.60/0.70mm sur l’arbre ce qui est beaucoup. Il est dimensionné à 0.40mm sur le plan. Ce jeu doit être réduit de manière à limiter la translation des engrenages sur l’axe. La translation des engrenages de haut en bas favorise les chocs entre les engrenages, défavorise la transmission mécanique et peut être en partie responsable du bruit.
Un très léger jeu doit cependant être préservé de manière à permettre la rotation des engrenages.
Jeu important au niveau de l’arbre secondaire
L’arbre secondaire possède un défaut entre le plan de conception et la fabrication.
Sur le plan, l’entretoise métallique est épaulée sur le carter alors qu'à la fabrication cette dernière a été épaulée sur des rondelles.
La bonne solution technique est d’épauler l’entretoise sur des rondelles comme cela a été fait lors de la fabrication, seulement cela a engendré un important décalage de jeu sur l’arbre.
Ce jeu excessif apparaît donc au niveau de l’entretoise de l’arbre secondaire (pièce R6) et a été relevé lors de la fabrication. Une seconde pièce plus longue a été imprimée pour compenser ce jeu.
Lorsque la pièce R6 est d’origine (même dimensions que sur le plan et le K1), le jeu est donc maximal (>1.20mm au lieu de 0.8mm sur le plan). Une collision entre la rondelle de l’arbre secondaire et un engrenage de l’arbre primaire apparaît, causant un fort bruit de claquement métallique ainsi que des éraflures au niveau de la roue crantée.
Lorsque la pièce R6 a été agrandie (9mm) le jeu disparaît et le choc entre la rondelle et la roue est supprimé. Seulement la pièce a été trop agrandie et l’entretoise métallique ne se retrouve plus appuyé entre les deux rondelles de serrage. Le bras de malte se retrouve donc plaqué contre la rondelle de serrage pouvant causer des sur-contraintes et gêner la rotation de la croix de malte.
La rondelle venant s’entrechoquer contre la roue de l’arbre primaire n’est pas indispensable et devrait être retirée. Son enlèvement doit alors être compensé par un allongement de l’entretoise R6.
Il y a un léger décalage de mesures entre l’entretoise métallique du plan et celle montée sur le réducteur (longueur originale de 49.2 contre 49.30)
Pistes d’améliorations :
Étude métrologique
Révisons et comparaisons du dimensionnement entre le plan et le réducteur réel.
Réalisation d’un plan côté mis à jour. Prise de mesure de toutes les pièces fabriquées et comparaison avec les modèles 3D. Détermination précise des problèmes de jeu sur les arbres et détermination du jeu nécessaire.
Modification des rondelles mobiles
Étude d’un meilleur matériau pour remplacer le bruit généré par les rondelles métalliques mobiles.
Tester les joints o-ring, et les rondelles imprimées en 3D de manière à maîtriser leur taille et une reproductibilité identique.
Réétude des engrenages
Vérifier le profil des engrenages, et le protocole de fabrication.
Il faut enlever les trous dans les engrenages de manière à rendre la découpe plus économique et surtout à minimiser les erreurs de découpe.
Revoir la méthode de fraisage et la ligne de coupe par rapport au diamètre de la fraise et la ligne d’engrènement. Pourquoi pas réaliser un banc d’essai de manière à tester différents modes de fraisages
Remplacement des pièces défectueuses
Réusiner la pièce P5.2 qui est voilée
Changement des entretoises métalliques
Réduction de la vitesse du moteur
Trouver un moyen de réduire au maximum la vitesse de rotation du moteur de façon à limiter le bruit généré par les chocs dents contre dents (analogie avec une marche arrière de voiture, plus l'on vas vite, plus le bruit est important).
