Modélisation de transmissions de forte puissance : Prise en compte d'amortissements variables

Modelling high power transmissions : Including variable dampings

• Auteur / Autrice : Cyril Chevrel-Fraux
• Direction : Jérôme Bruyère, Philippe Velex
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 19/02/2020
• 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-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Systèmes Mécaniques et Contacts
• Jury : Président / Présidente : Olivier Thomas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Bruyère, Philippe Velex, Olivier Thomas, Eric Florentin, Emeline Sadoulet-Reboul, Romain Fargère
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Florentin, Emeline Sadoulet-Reboul

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amortissement (mécanique)

Transmission (mécanique)

Mots clés libres

Mécanique

Transmission de puissance

Amortissement passif

Engrenages

Réduction des vibrations

Engrènement

Dynamique des structures

Matériau élastoplastique

Matériau de remplissage

Modélisation

Matériau élastique

Dissipateur d'énergie

Réduction du bruit

Mechanical

Power transmission

Passive damping

Gear

Vibration Reduction

Intermeshing

Dynamics of structures

Elastoplasticity material

Modelisation

Elastic material

Power Dissipation

Noise reduction

Résumé

Travaux de thèse sont issus d’une collaboration entre la société Naval Group (anciennement DCNS) et le laboratoire du LaMCoS de l’INSA de Lyon. Dans le milieu de la propulsion navale, les transmissions par engrenages qui assurent le lien entre le moteur et l’hélice, transmettent des couples importants. Pour transmettre ces couples, les mobiles peuvent avoir de grandes dimensions (plus de deux mètres de diamètre). Pour des raisons de gains de masse, des trous ou des cavités sont généralement introduits dans le corps de la roue. L’ajout de ces alésages réduit sa masse mais augmente également sa flexibilité, ce qui peut la rendre plus apte à vibrer. Pour réduire les vibrations générées par l’engrènement sans augmenter sa masse, de nombreux travaux portent sur l’utilisation de corrections de profil et d’hélice. Une solution alternative, présentée ici, consiste à remplir le corps de la roue à l’aide d’un matériau qui peut jouer le rôle d’un amortisseur passif. Au cours de cette thèse, un modèle d’engrènement hybride a été utilisé. Dans le modèle d’engrènement à paramètres concentrés initial, les mobiles sont introduits à l’aide de disques rigides ou d’éléments de poutre de Timoshenko. Les contributions des paliers et du carter sont prises en compte via l’utilisation de paramètres concentrés. Le modèle a été adapté pour permettre l’introduction d’un modèle éléments finis de roue condensé à l’aide de méthodes de sous-structuration. La raideur d’engrènement est calculée à chaque pas de temps en fonction des conditions de contact et dans l’hypothèse de la décomposition des lignes de contact en tranches minces. Lors de la condensation du modèle éléments finis, des noeuds maîtres sont introduits dans le corps de la roue pour interagir avec le matériau de remplissage. Le matériau est supposé élastoplastique et est introduit sous la forme de paramètres concentrés. Une masse ponctuelle est positionnée au centre de chaque cavité et elle est connectée aux voiles de la roue à l’aide système de Masing. Deux interfaces successives sont utilisées lors de l’introduction du matériau de remplissage, la première intervient lors de la définition des noeuds maîtres et la deuxième lors de l’introduction du matériau pour annuler le travail des raideurs additionnelles suivant les mouvements de corps solides. Le modèle est ensuite partiellement validé numériquement. L’intérêt est porté à la fois au niveau comportement statique et dynamique à la denture, et au niveau du comportement non linéaire du matériau de remplissage. Des études à vitesses fixes ou sur des balayages en vitesse sont ensuite réalisées pour étudier les effets dissipatifs liés à l’ajout d’un matériau de remplissage. L’influence des propriétés de celui-ci, de la géométrie de la roue et des niveaux d’excitation sur le comportement dynamique de la transmission sont ensuite étudiés.

This work is included in a PhD thesis in partnership between the society Naval Group and the LaMCoS laboratory at the INSA Lyon engineering school. In the naval propulsion domain, the engine is linked propeller using the gear transmission which can transmit an important torque. As a result, gears can have an important dimension, and a wheel may have a diameter of more than two meters. In order to get lighter wheel, holes and cavities can be manufactured in the body of the wheel. These cavities reduce the mass of the wheel, but it also increases its flexibility and it can generate more vibrations. To reduce vibrations without increase the gear mass, many works studied the helical and tooth profile modifications. The work is aimed to study another approach with the introduction of a filling material which can have dissipative properties in the body of the wheel in order to have a passive damper. In this work, a hybrid gear model has been used. In the initial model, the gear is a lumped parameters model, shafts are introduced with Timoshenko beams and gears are assumed to be rigid disks. Contributions of housing and bearings are introduced with lumped parameters. The model has been modified in order to introduce a condensed FE model, obtained with sub-structuring methods. The mesh stiffness is computed the thin-slice approach. During the sub-structuring step, master nodes are introduced in the body of the wheel in order to interact with the filling material. The filling material is supposed to have an elastoplastic behaviour, and it is introduced using lumped parameters. A central mass is introduced at the centre of each cavities and it is connected to webs using Masing systems. Two interfaces are used during the introduction of the filling material. The first one is used during the master nodes definition, and the second one is aimed to remove the deformation work of additional filling material during rigid body displacements. Then, the model has been validated using numerical comparisons. Output values of interest like tooth contact static and dynamic behaviour, and the non-linear behaviour of the filling material have been studied. Then, studies on a range of speed or at a single speed have been realized in order to study the dissipative effects due to the introduction of the filling material. The influence of filling material properties, gear wheel geometry, and amplitude of excitations on the gear transmission dynamic behaviour have been studied.