Modélisation analytique et empirique des pertes de puissance dans les paliers de roulement

Combined analytical and empirical modelling of power losses in rolling element bearings

• Auteur / Autrice : Pierre Brossier
• Direction : Fabrice Ville, Christophe Changenet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique / Energétique
• Date : Soutenance le 28/09/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Systèmes Mécaniques et Contacts
• Jury : Président / Présidente : Souad Harmand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Ville, Christophe Changenet, Souad Harmand, Jorge Seabra, Jean Bouyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jorge Seabra, Jean Bouyer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Moteurs -- Systèmes de refroidissement

Énergie mécanique -- Transmission

Roulements à billes

Transmission (mécanique)

Mots clés libres

Mécanique analytique

Paliers à roulements

Perte de puissance

Modélisation thermique

Modélisation analytique

Transmission mécanique

Transmission de puissance

Carter

Système de refroidissement

Roulements

Refroidissement

Comportement thermique

Modèle thermique

Lubrification

Mechanical behaviour

Rolling bearings

Power Loss

Thermal Modelling

Analytical modelling

Mechanical transmission

Power transmission

Housing

Cooling System

Bearings

Cooling circuit

Thermal Behaviour

Thermal model

Lubrication

Résumé

Le développement de l’industrie du transport conduit la conception de transmissions mécaniques de puissance toujours plus légères et efficientes. Les composants de ces transmissions doivent supporter des efforts transmis dans des environnements de plus en plus restreints. Du fait que les carters soient devenus de plus en plus compacts, les systèmes de refroidissement se sont aussi complexifiés. C’est dans ce contexte que les paliers à roulement, plus communément appelés roulements, doivent produire moins de chaleur, opérer dans des espaces plus proches des engrènements, tout en ayant des durées de vie plus grandes. Le calcul des pertes énergétiques des roulements est essentiel pour quantifier la quantité d’huile à injecter pour refroidir ces composants. L’objectif de cette étude est donc de fournir des outils pour modéliser les pertes dans les roulements et leur comportement thermique. Dans un premier temps, une analyse bibliographique a été menée sur les pertes de puissance dans les roulements, incluant des modèles locaux et globaux de pertes de puissance. Un banc d’essais dédié a été utilisé afin d’analyser les puissances dissipées et la thermique de roulements à billes à gorge profonde. Les influences de la vitesse de rotation, du chargement, de la température d’injection, du débit d’huile injecté, des techniques de lubrification ont été examinées. Les modèles globaux précédemment investigués ont été comparés aux données expérimentales. Enfin, un modèle thermique a été développé pour comprendre l’influence des transferts de chaleur dans les pertes de puissance générées par les roulements. Des comparaisons entre différentes lubrifications et différentes géométries ont été faites. Une nouvelle formule du couple résistif a été proposée pour mieux prendre en compte la géométrie du roulement considéré.

The development of the transport industry has led to design lighter and more efficient transmission systems. The components within these transmissions have to withstand the transmitted loads in closer environments. As the housing has become more compact than ever, the cooling system has also become more complex. In that context, Rolling Element Bearings (REBs) are required to produce less heat, to work closer to the gear meshes while having higher life-expectancies. The calculation of REB power loss is essential to quantity the amount of injected oil to cool off these components. This study therefore aims at providing tools to model REB power loss and their thermal behaviour. As a first step, a bibliographical survey was conducted on REB power losses, including local and global models. A dedicated test rig has been used to analyse the power losses and the thermal behaviour of Deep Groove Ball Bearings. The influence of rotational speed, load, oil injection temperature, oil flow rate and lubrication design has been investigated. The above-mentioned global models have been compared to the experimental data. Finally, a REB thermal model has been developed in order to understand the influence of heat-transfer within REBs on power losses. Comparisons between different lubrication designs and between different geometries have been done. A new formulation to better take into account the REB geometry in the global models has been proposed.