Caractérisation tribologique de roulements aéronautiques, oscillants et fortement chargés : Dépendance des cycles de vie et des mécanismes d'accommodation des contacts à la lubrification par graisse

Tribological characterization of heavily loaded oscillating bearings in aeronautics : Dependence of lifecycles and contact accommodation mechanisms on grease lubrication

• Auteur / Autrice : Lucas Frache
• Direction : Benyebka Bou-Saïd, Francesco Massi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 01/04/2022
• 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 : TIMI - Tribologie et Mécanique des Interfaces
• Jury : Président / Présidente : Noël Brunetière
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benyebka Bou-Saïd, Francesco Massi, Noël Brunetière, Jean Bouyer, Jorge Oliveira Seabra, Agnès Fabre, Karine Masenelli-Varlot, David Philippon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean Bouyer, Jorge Oliveira Seabra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique du contact

Lubrification

Tribologie (technologie)

Mots clés libres

Aéronautique

Graisse

Roulement oscillant

Charges élevées

Essai endurance

Roulement

Microscopie

Lubrification de contact

Tribologie

Sollicitation mécanique

Aeronautics

Grease

Oscillating bearings

High loads

Endurance tests

Bearings

Microscopy

Lubrication contact

Tribology

Mechanical straining

Résumé

La présente thèse a pour objectif la compréhension des mécanismes tribologiques mis en jeu dans la lubrification par graisse de roulements oscillants aéronautiques fortement chargés. Leurs conditions de fonctionnement sont caractérisées par des mouvements de faibles amplitudes combinés à des pressions de contact élevées (2 à 7 GPa), résultant à une lubrification inadéquate pour la protection des surfaces, ainsi qu’à l’altération des matériaux. Les roulements présentent alors un scénario d’endommagement particulier dont la compréhension pourrait amener à adapter la conception des pièces ou des lubrifiants dédiés à de telles sollicitations. Pour se faire, 2 axes de travaux se dégagent dans le présent manuscrit : les essais de roulements commerciaux sur banc pour construire une base de données comportementale, et les analyses tribochimiques servant à comprendre les mécanismes de lubrification à petite échelle. Corroborée par des analyses microscopiques et des modèles numériques, une analyse paramétrique est conduite pour tester différentes configurations de roulements aéronautiques (géométrie, matériaux et lubrifiant) afin d’en déterminer les scénarios de dégradation. Les résultats montrent qu’au niveau des surfaces, en fonction du lubrifiant, des mécanismes microscopiques d’accommodation ont lieux, jouant un rôle prépondérant dans la protection des contacts. L’analyse détaillée d’un roulement testé sur banc est alors réalisée pour connaitre l’influence de ces mécanismes protecteurs sur la morphologie ainsi que sur la composition chimique des surfaces de contact. Une expertise similaire d’un roulement d’aileron d’A340 soulève plusieurs similarités entre l’échantillon préparé en laboratoire et celui issu de l’application réelle, validant le processus d’analyse. Enfin, dans le but d’identifier le rôle des constituants du lubrifiant dans la protection des contacts oscillant fortement chargés, différentes graisses sont formulées puis testées sur banc avec une palette d’additifs inspirés d’une graisse aéronautique.

The objective of this thesis is to understand the tribological mechanisms involved in the grease lubrication of heavily loaded aeronautical oscillating bearings. Their operating conditions are characterized by low amplitude movements combined with high contact pressures (2 to 7 GPa), resulting in inadequate lubrication for surface protection, as well as material deterioration. The bearings then present a particular damage scenario, the understanding of which could lead to adapting the design of parts or lubricants dedicated to such stresses. To do so, two main lines of work emerge in this manuscript: bench testing of commercial bearings to build a behavioral database, and tribochemical analyses to understand the lubrication mechanisms on a small scale. Corroborated by microscopic analyses and numerical models, a parametric analysis is conducted to test different aeronautical bearing configurations (geometry, materials, and lubricant) to determine the degradation scenarios. The results show that at the surface level, depending on the lubricant, microscopic accommodation mechanisms take place, playing a major role in the protection of contacts. The detailed analysis of a bearing tested on a bench is then carried out to know the influence of these protective mechanisms on the morphology as well as on the chemical composition of the contact surfaces. Similar expertise of an A340 aileron bearing raises several similarities between the sample prepared in the laboratory and the one resulting from the real application, validating the analysis process. Finally, in order to identify the role of lubricant constituents in the protection of heavily loaded oscillating contacts, different greases are formulated and then tested on a bench with a range of additives inspired by an aeronautical grease.