Modélisation thermo mécanique d’un roulement à billes grande vitesse

= Prediction of the thermo mechanical behaviour of high speed rolling element bearings

• Auteur / Autrice : François Pouly
• Direction : Christophe Changenet, Philippe Velex, Fabrice Ville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA2007-....) - École catholique des arts et métiers (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Turboméca

Mots clés

Mots clés contrôlés

Roulements à billes

Lubrification

Résumé

La chaleur dégagée dans un palier à roulement fonctionnant à grande vitesse nécessite un refroidissement externe afin d’éviter la dégradation du lubrifiant et du mécanisme. La technologie actuelle consiste ainsi à injecter dans celui-ci un jet d’huile qui permet à la fois la lubrification des surfaces en contact mais également l’évacuation de la chaleur. La compréhension des mécanismes de lubrification nécessite donc de mener des investigations conjointes sur les pertes de puissance au sein du roulement et sur les échauffements correspondants. La perte de puissance associée à la traînée aérodynamique exercée par le brouillard d’huile sur les éléments roulants est extrêmement délicate à estimer du fait de la complexité des écoulements. Il existe ainsi un degré de liberté sur la manière d’aborder cette perte, qui historiquement a toujours été ajustée de manière à égaliser les pertes de puissance globales calculée et mesurée. Ce phénomène a permis de masquer la divergence d’opinions concernant la prise en compte ou non de la force de roulement hydrodynamique au contact bille/bague. Une méthode originale permettant de discriminer les différentes sources de chaleur est proposée, combinant les approches mécanique, thermique et aérodynamique. Il est ainsi démontré que les forces de roulement hydrodynamique et de traînée aérodynamique ne peuvent pas être négligées dans un roulement à billes grande vitesse. L’outil numérique développé s’avère performant et rapide pour modéliser le comportement thermo mécanique d’un roulement en régime stationnaire et transitoire. Des investigations sur un scénario d’interruption de la lubrification sont ainsi également réalisées. Ces aspects représentent une avancée technique dans la compréhension du rôle de l’huile tant comme lubrifiant que comme fluide caloporteur

Heat generation in high speed rolling element bearings needs external cooling in order to avoid the deterioration of the lubricant and the seizure of the mechanism. Current technology is to inject oil which lubricates contacting surfaces but also evacuates the generated heat. Then the understanding of lubrication mechanism deals with both power losses and thermal analyses. The power loss due to aerodynamic drag force acting on the rolling elements remains difficult to estimate due to the complex oil mist flow into the bearing. Historically it has been adjusted so that computed global power losses fit with experimental ones. It explains why nowadays there is still a discrepancy about taking into account or not hydrodynamic rolling traction forces at ball/race contacts. An original method is presented to discriminate the different heat sources by considering simultaneously mechanical, thermal and aerodynamical approaches. It is demonstrated that both aerodynamic drag forces and ball/race hydrodynamic rolling traction force cannot be neglected for high speed applications. The developed numerical tool appears to be fast and powerful to predict the steady state and unsteady state thermo mechanical behaviour of a rolling element bearing. Numerical investigations on oil shut-off are also presented. This work aims to provide a better comprehension of one of the most important aspects of tribology: the thermal effects in high speed rolling element bearings.