Dynamique de trains épicycloïdaux et conditions de support des satellites

Epicyclic gears dynamics and planets support conditions

• Auteur / Autrice : Stéphane Portron
• Direction : Philippe Velex
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 06/09/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• 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-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Tanguy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Velex, Anne Tanguy, Jean-Luc Dion, Alfonso Fernandez del Rincon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Luc Dion, Alfonso Fernandez del Rincon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique du contact

Dynamique

Engrenages planétaires

Mécanique appliquée

Mots clés libres

Mécanique

Dynamique des structures

Train epicycloïdal

Palier hydrodynamique

Correction des dentures

Amortissement

Raideur

Engrenage

Mechanical structures

Mechanics of structure

Epicyclic gear

Journal bearings

Tooth modifications

Damping

Stiffness control

Gear

Résumé

Ce doctorat est issu d'un partenariat entre SAFRAN Transmission Systems et le laboratoire LaMCoS de l'INSA de Lyon et dans le cadre la chaire INSA-SAFRAN ''Transmissions mécaniques innovantes pour l'aéronautique''. L'introduction de trains planétaires dans les turbofans a récemment émergé comme une solution technologique prometteuse pour réduire la vitesse de rotation des aubes dans la prochaine génération de moteurs d'avions. Au vu des vitesses de rotation et des charges au cours du fonctionnement, les paliers hydrodynamiques apparaissent comme une solution intéressante puisque d'une part ils permettent de supporter une charge élevée à haute vitesse, et d'autre part ils apportent un amortissement significatif dans les systèmes mécaniques. Cette thèse a pour but de comprendre les couplages statiques et dynamiques entre les paliers hydrodynamiques et les engrènements dans les trains épicycloïdaux. Un modèle à paramètres concentrés du solaire, des satellites et de la couronne est couplé à un modèle éléments finis condensé du porte-satellite en utilisant les paliers hydrodynamiques comme interface. Les réactions paliers sont linéarisées autour de l'équilibre quasi-statique du système afin d'utiliser des algorithmes classiques pour l'intégration temporelle. L'élasticité des dentures aux interfaces d'engrènement est modélisée par une approche de type ''tranches minces'', pour laquelle une raideur élémentaire est attachée à chaque cellule de discrétisation le long de la ligne de contact. Des ensembles de déviations normales sont ajoutés aux cellules de discrétisation afin de prendre en compte les effets des erreurs d'assemblage et de fabrication, mais aussi des corrections de dentures. Le modèle est confronté à des résultats issus de la littérature afin de valider la précision du modèle, particulièrement par rapport au contenu fréquentiel des signaux de sortie de la simulation. Ce travail concerne deux aspects principaux: a) L'effet des corrections longitudinales de dentures sur le comportement statique et dynamique du train planétaire et b) L'influence des paliers hydrodynamiques comme supports des satellites par rapport à des paliers à éléments roulants. Une attention particulière est mise sur les propriétés de raideur et d'amortissement apportées par les paliers hydrodynamiques.

This PhD has been carried out within a partnership between SAFRAN Transmission Systems and the LaMCoS laboratory of INSA Lyon in the framework of the INSA-SAFRAN Chair on Innovative Mechanical Transmissions for Aeronautics. The introduction of planetary gears in turbofans has recently emerged as a promising technological solution to reduce fan rotational speeds in the next generation of aircraft engines. In view of the rotational speeds and loads, journal bearings appear as interesting since, beyond their load carrying capacity at high speeds, they bring significant damping in mechanical systems. The present work aims at understanding the static and dynamic couplings between journal bearings and gear meshes in epicyclic gears. Lumped parameters models of the sun-gear, planets and ring-gear are coupled with a condensed finite elements model of the carrier using the planets bearings as interface elements. The journal bearings reactions are linearized around the quasi-static equilibrium of the system in order to use classical algorithms for the time-step integration. The gear teeth elasticity at the mesh interfaces are modelled using a thin-slices approach with an elemental stiffness attached to each discrete cell on the lines of contact. Sets of normal deviations are added to the discrete cells to account for the effect of manufacturing and assembly errors, as well as toot modifications. A number of comparisons with results from the literature validate the precision of the model, especially regarding the frequency contents of the output signals of the simulation. This work focuses on two main aspects: a) the effect of tooth lead modifications on the static and dynamics of a planetary gear set and, b) the influence of journal bearings as planet supports compared with rolling elements bearings. Particular emphasis is placed on the stiffness and damping properties brought by journal bearings.