UPThèses

L'objectif principal de la présente thèse est de valider, reconfigurer et renforcer un logiciel de simulation (déjà créé par le laboratoire) capable de reproduire les phénomènes tribologiques à l'intérieur d'un palier lisse. Le logiciel et le savoir-faire seront transférés et utilisés dans l'industrie - AKIRA Tech. La thèse est construite autour d'un programme expérimental réalisé sur un banc d'essai spécial appelé MEGAPASCALE. Deux types de bielles ont été utilisés. La première est une Renault RS et la seconde une Kawasaki ZX10. Pour les deux bielles, différentes positions d'alimentation en huile ont été testées. Dans le cas de la bielle Kawasaki, plusieurs jeux sont testés. De plus, des capteurs d'écart à courants de Foucault sont installés pour mesurer la position du tourillon. Et la technique de différence du potentiel est utilisée pour décrire qualitativement le fonctionnement du palier. La température du palier, la pression d'alimentation, la vitesse et la charge ont été surveillées. Une attention particulière est accordée à l'étalonnage des capteurs ainsi qu'aux mesures métrologiques des paliers. Les simulations ACCEL correspondent aux mesures expérimentales, ce qui témoigne non seulement de la précision des résultats, mais aussi de la qualité de la méthode d'étalonnage.

Lorsque deux matériaux sont frottés l’un contre l’autre ou simplement mis en contact, ils acquièrent chacun une charge électrique de signes opposés. Ce mécanisme d’acquisition de charge, connu depuis l’antiquité et portant le nom de triboélectricité, n’est toujours pas totalement maitrisé. Différentes explications et plusieurs théories et hypothèses contradictoires existent. C’est pour cela que les recherches sur ce sujet doivent toujours continuer et essayer d’élucider plusieurs mystères et répondre à différentes questions qui persistent autour de la triboélectrification. Le travail mené dans le cadre de cette thèse de doctorat a eu comme un de ses objectif l'étude de l'influence de différents facteurs (temps de traitement, épaisseur du diélectrique, distance inter-électrodes...etc.) de la décharge à barrière diélectrique (DBD) sur l'évolution de la rugosité de surface de plaques de polypropylène exposées à un plasma froid. Ce travail a visé également à mettre en évidence les corrélations qui pourraient exister entre la modification de la rugosité et le potentiel électrique généré par effet triboélectrique à la surface du polypropylène traité par DBD atmosphérique. En effet, le traitement DBD a une influence directe sur la rugosité et sur le potentiel électrique de surface : l'exposition au plasma froid conduit à une surface plus rugueuse, qui se charge mieux par effet triboélectrique que la surface initiale. L’influence de l’humidité ambiante sur le comportement triboélectrique des polymères a également été étudiée, confirmant son influence sur le niveau de charge ainsi que son signe.

Une part importante des systèmes d'étanchéité eest constituée depuis plusieurs décennies par des joints en polymère, aussi bien sur les liaisons statiques (joints toriques, membranes, ...) que pour assurer l'étanchéité de pièces en mouvement (joints à lèvre,...). Par ce travail, nous avons contribué à la mise au point d'une première modélisation d'un organe d'étanchéité dynamique en PTFE, à savoir le joint à hélice circulaire. Nous avons donc modélisé cet organe en procédant ainsi : nous avons déterminé les caractéristiques (E, ν) du matériau utlisé pour fabriquer le joint puis nous avons mesuré sa géométrie fine et caractérisé avec précision son état de surface. Ensuite, nous avons entrepris le calcul de structure avec MSC Marc, afin de modéliser la phase de montage du joint sur l'arbre. Ce travail nous a permis d'accéder à la géométrie déformée du joint, aux différentes largeurs de contact et à la force radiale qu'exerce l'arbre sur le joint. Pour finir, nous avons élaboré la matrice de souplesse qui permet de traduire l'interaction fluide-structure. Tous ces éléments sont indispensables à une modélisation fiable et performante. Cette modélisation est basée sur l'équation de Reynolds modifiée. Cette dernière a été écrite dans le repère adéquat et discrétisée en éléments finis. Une procédure basée sur la méthode de Newton-Raphson a permis de résoudre ce problème fortement non linéaire. Des essais expérimentaux réalisés avec rigueur ont permis la validation du modèle proposé.

Les joints sans contact sont des solutions d’étanchéité optimales pour les systèmes mécaniques fonctionnant à des vitesses relativement élevées. Ils ont une durée de vie importante et ont été proposés pour une utilisation dans les moteurs spatiaux. Une type de joints d'étanchéité sans contact, le joint visqueux, est étudié en détail dans ce travail de thèse au moyen d'une analyse numérique et expérimentale. Ce travail présente un modèle numérique développé pour prédire le comportement du joint visqueux en régime laminaire et turbulent. L’interface liquide-air dans le joint est également étudiée en utilisant une approche CFD basée sur la méthode VOF. La conception et la réalisation d’un dispositif expérimental a permis de confronter les résultats numériques et expérimentaux, l’écart entre les deux approches n’excède pas 10% dans 95% des cas étudiés.

La lubrification eX-Poro-HydroDynamique (XPHD) est un mécanisme de lubrification d’inspiration biomimétique. Il s’agit principalement d’un écoulement dans un milieu poreux, dont la phase solide représentée par des fibres, induit des forces élastiques de compression considérées comme négligeables par rapport aux forces hydrodynamiques générées à l’intérieur du milieu poreux. L’idée essentielle de la lubrification XPHD consiste en remplacement du matériau antifriction et du film de fluide mince, traditionnellement utilisé dans les solutions classiques, par une couche poreuse imbibée d’un fluide qui fournit plus grande capacité de charge. Ce type de lubrification représente une solution technologique totalement nouvelle (en rupture avec la solution classique) qui peut permettre de remplacer les lubrifiants pétroliers, de créer des systèmes tribologiques autolubrifiants et donc plus écologiques et moins coûteux. Ce travail de recherche est donc focalisé sur l’évolution des performances de la lubrification XPHD dans le cadre d’un mouvement tangentiel, adapté à l’étude de butées pour faible et moyenne vitesses de rotation. Dans ce contexte scientifique, une étude approfondie d’un matériau poreux présélectionné (mousse en polyuréthane) fut réalisée avec le but de déterminer les caractéristiques physiques et les paramètres cruciaux pour la lubrification XPHD: la porosité et la perméabilité du matériau poreux. Les modèles théorique et numérique de lubrification XPHD proposés se basent sur l’équation de Darcy-Brinkman et les hypothèses de la lubrification classique, ainsi que l’écoulement à l’intérieur du milieu poreux sont prédit avec une nouvelle forme de l’équation de Reynolds. Le banc d’essais spécialement développé permet d’étudier expérimentalement le mécanisme de lubrification XPHD pour des différents types de dislocateur en combinaison avec des liquides newtoniens et nonnewtoniens. Une description détaillée du banc d’essais et de tous les dispositifs expérimentaux utilisés ainsi que la comparaison des résultats de modélisation et des résultats expérimentaux sont présentés.

La grande diversité des applications, dans tous les domaines industriels, des plus simples aux plus complexes, que ce soit pour un usage quotidienne ou pour des applications high-tech, nécessite la conception continue de systèmes d'étanchéité de plus en plus performants. Les vérins pneumatiques sont des éléments fondamentaux de l'automatisation dans des domaines industriels très variés : les dispositifs de levage, la robotique, l'aérospatial, les systèmes respiratoire, etc. Cependant, un dysfonctionnement d'étanchéité conduit à des performances plus faibles et même à des disfonctionnements. Inversement, une meilleure connaissance des phénomènes aux interfaces, permettra l’amélioration du rendement, la prolongation de la durée de vie et de la fiabilité des différentes applications pneumatiques. Ce travail de thèse est focalisé sur l'étude expérimentale et numérique des systèmes d'étanchéité par joints pneumatiques. Un banc d'essais modulable a été conçu et réalisé pour permettre l'investigation expérimentale de différents types de joints pneumatiques, pour une large gamme de conditions de fonctionnement, en termes de vitesse linéaire, pression pneumatique et solutions constructives. Il permet principalement de caractériser le frottement des joints mais aussi la visualisation des phénomènes physiques au niveau de la zone d'étanchéité et de son environnement. En parallèle, un modèle théorique ElastoHydroDynamique, incluant la prise en compte des conditions de lubrification mixte et le comportement rhéologique non-newtonien de lubrifiant (graisse) a été développé. Il est basé sur le couplage d'un logiciel de calcul non-linéaire (permettant la prise en compte du comportement mécanique hyperélastique des joints) et un modèle d'écoulement en film mince. Les comparaisons de mesures expérimentales avec les prédictions numériques ont permis de valider le modèle théorique ainsi que d'améliorer la compréhension des conditions de fonctionnement et d'alimentation de la zone d'étanchéité.

La tête de bielle n'est pas un solide mono-corps mais un solide multi-corps. Le serrage non-adapté des vis d'assemblage et les discontinuités des solides peuvent produire des phénomènes indésirables comme le glissement du coussinet dans son logement. Malgré des logiciels de calculs performants permettant de prédire le comportement des paliers il existe encore de nombreuses avaries notamment liées aux contacts entre le coussinet et son logement. La difficulté de la modélisation du contact coussinet/logement réside principalement dans l'interaction entre les différents solides et les conditions de fonctionnement. Cette étude propose une solution pour analyser ce problème par couplage entre un logiciel de calcul élatohydrodynamique (ACCEL) et un logiciel permettant le calcul du contact avec frottement entre les coussinets et le corps de bielle (ABAQUS). Après une étude bibliographique des études antérieures dédiées à la modélisation numérique et expérimentale des paliers de tête de bielle, la première partie est dédiée à une description des modèles numériques utilisés pour prédire le comportement élastohydrodynamique de paliers lubrifiés ainsi que les techniques employées pour étudier le contact sec avec frottement en mécanique. La deuxième partie présente la solution adoptée pour réaliser le couplage entre le logiciel ACCEL et le logiciel ABAQUS. Le modèle a été premièrement validée dans le cas d'un palier soumis une charge tournante. Par la suite, plusieurs calculs paramétriques, réalisés sur un cas type de palier de tête de bielle, nous ont permis de montrer l'influence des conditions de fonctionnement (diagramme de charge, vitesse de rotation, etc.) ainsi que d'autres caractéristiques de la bielle (coefficient de frottement, épaisseur du coussinet, etc) sur le comportement du palier et plus précisément sur le glissement relatif entre les coussinets et le corps de bielle.