Approche multi-échelles pour l'étude du grippage des dentures d'engrenages

Gear scuffing : A multiscale approach

• Auteur / Autrice : Nicolas Grenet-de Bechillon
• Direction : Thomas Touret, Fabrice Ville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 30/03/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• 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 : SMC - Systèmes Mécaniques et Contacts
• Jury : Président / Présidente : Xavier Kleber
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Touret, Fabrice Ville, Xavier Kleber, Jean Bouyer, Myriam Lazard, Jean-Charles Maré
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean Bouyer, Myriam Lazard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Engrenages

Usure (mécanique)

Tribologie (technologie)

Mots clés libres

Mécanique des contacts

Transmission mécanique

Grippage

Engrenages

Machine FZG

Machine Bi-Disques

Température

Endommagement

Rugosité

Lubrifiant

Contact mechanics

Power transmission

Scuffing

Gear

FZG machine

Twin-Disc Machine

Temperature

Damage

Roughness

Lubricant

Résumé

La prochaine génération de moteurs civils nécessite l’intégration de réducteurs à engrenages afin de permettre l’augmentation du rendement. Afin de concevoir un produit fiable, il convient de s’intéresser aux différents modes de défaillance et en particulier le grippage des dentures. Le grippage engendre une dégradation de l’état de surface des dentures, qui se traduit par une réduction du rendement de la transmission. Cet endommagement est caractérisé par la formation et l’arrachement de microsoudures au cours de l’engrènement. De nombreux critères ont été mis en place afin de tenter de prédire l’initiation de cette défaillance, sans pour autant que l’un d’entre eux ne fasse l’unanimité au sein de la communauté scientifique. La physique de l’initiation du grippage doit donc être étudiée. Afin d’apporter des éléments de réponse sur le mécanisme d’initiation de ce phénomène, la première partie de cette étude s’est attachée à investiguer le rôle de la rugosité. Un modèle numérique a été mis en place afin d’évaluer le rôle de la rugosité vis-à-vis des températures localement atteintes dans la zone de contact. Les calculs réalisés montrent que les températures atteintes ne semblent pas en mesure d’expliquer la formation de microsoudures par fusion des surfaces dans un contact lubrifié. Ces microsoudures semblent donc être la conséquence d’une potentielle rupture du film lubrifiant et non le point de départ de l’initiation du grippage. Cette rupture du film a été étudiée expérimentalement sur un dispositif de laboratoire permettant de simuler un contact représentatif de l’engrènement via l’utilisation de deux disques. Dans cette seconde partie, une procédure permettant d’étudier le phénomène en agissant sur l’épaisseur du film lubrifiant a été développée. Les essais réalisés semblent montrer que la rupture du film lubrifiant est gouvernée par sa température, qui dépend des conditions de fonctionnement. Ainsi, une piste de critère de grippage a été établie sur disques. Dans une dernière partie, des essais dentures ont été mis en place afin d’évaluer la piste de critère identifiée sur disques en la transposant à la denture. Les essais réalisés montrent, comme lors des essais bi-disques, que la température totale à elle seule ne permet pas de prédire le grippage. Cependant, le critère développé sur disques ne semble pas en mesure d’expliquer les grippages des dentures lors des essais réalisés. Dans la mesure où ni les critères classiques ni la piste identifiée sur disques ne semblent en mesure d’expliquer le grippage, une nouvelle approche est proposée. Enfin, les conclusions sur la chronologie du mécanisme d’initiation du grippage sont regroupées et des perspectives sont mises en avant. Celles-ci visent à améliorer la représentativité des disques vis-à-vis des dentures au sujet de l’état de surface, ou à investiguer expérimentalement l’hypothèse de la rupture du film lubrifiant comme mécanisme d’initiation du grippage.

Environmental concerns are driving the aerospace industry to innovate and develop new technologies to achieve sustainable aviation. Among these innovations, the next generation of civil engines requires the integration of gearboxes within them. In order to design a reliable product, different failure modes, such as gear scuffing, must be taken into account. Scuffing is a sudden gear failure where material is transferred from one surface to another. This transfer is caused by local surface welding during meshing. Scuffing leads to degradation of the tooth surface, which reduces gear efficiency. Although this mode of gear failure has been extensively studied, there are no commonly accepted initiation criteria. Therefore, physical understanding of scuffing initiation is needed. The first part of this study focused on the role of roughness. A numerical model was set up to evaluate the temperatures reached locally in the contact zone. The calculations carried out show that these last ones at the roughness scale do not seem able to explain the formation of micro-welds by fusion of the surface asperities in a lubricated contact. Scuffing therefore appear to be the consequence of a potential break in the lubricant film. In a second part, this film breakage was studied experimentally on a twin-disk machine. A procedure was developed to study the phenomenon by acting on the lubricant film thickness. The performed tests seem to show that the breakdown of the lubricating film is governed by its temperature, which depends directly on the operating conditions. Thus, a scuffing criterion was established on discs.In the last part, gear tests were carried out. It was shown, as for disc tests, that total temperature alone does not predict scuffing. However, the criterion developed on discs does not seem to be able to explain tooth scuffing. Since no criteria seem to be able to explain the scuffing, a new approach is proposed. Finally, conclusions and prospects are proposed. The chronology of the scuffing initiation mechanism are recalled. The prospects aim, on the one hand, to improve the representativeness of the tests on discs compared to gears, in particular with regard to the geometry of the surface roughness; and, on the other hand, to analyse in detail and experimentally the hypothesis of the lubricating film breakage as a mechanism of scuffing initiation.