En 1997 Stuard L. Fischman a dit « Certainement on mange bien, on parle bien, on a l'air bien et on « sent frais » - mais on a aussi la plaque dentaire, la gingivite et les caries dentaires. Le lecteur peut déterminer les progrès réalisés en réfléchissant à son état de santé bucco-dentaire personnel! ». Vingt ans plus tard cette affirmation reste valide. L'acte le plus commun d'hygiène buccale est de se nettoyer les dents par brosse à dents, eau et dentifrice. Le rôle principal de la brosse à dents et du dentifrice est d'éliminer le biofilm dentaire responsable des maladies buccales. Il est largement admis que le biofilm dentaire est éliminé au moyen de particules de nettoyage trouvés dans la composition du dentifrice. Puisque le mécanisme des particules nettoyantes est couramment supposé abrasif, la recherche sur le nettoyage des dents a été principalement conduite du point de vue « abrasif », elles sont ainsi appelées « particules abrasives ». Néanmoins, le nettoyage des dents est un processus complexe impliquant plusieurs mécanismes (biochimiques, physico-chimiques et mécaniques), chacun activé par des facteurs à la fois internes (comme l'environnement oral individuel et les habitudes individuelles d'hygiène buccale) et externes La conception de la brosse à dents et la composition de dentifrice). Ce travail a commencé à partir de l'idée que le nettoyage des dents ne peut pas être réduit à un processus d'abrasion; par conséquence, afin d'acquérir une connaissance plus profonde du comportement réel des particules nettoyantes, il est nécessaire de comprendre la contribution de chaque mécanisme d'action impliqué. Un système biomimétique a été développé pour reproduire la brosse à dents, l'émail dentaire, la pellicule exogène acquise et le dentifrice (une suspension simplifiée à base de silice). Le système a été analysé d'un point de vue tribologique, en adoptant la théorie du « troisième corps » et en utilisant différentes techniques expérimentales (spectroscopie infrarouge, microscopie à force atomique, la microscopie électronique à balayage). On a déterminé la contribution de la mécanique et de la physico-chimie de la surface de l'émail dentaire, de la chimie du dentifrice et de la mécanique de la brosse à dents. Les résultats ont montré que la pellicule exogène acquise biomimétique n'a pas été rayée pendant le nettoyage des dents, mais plutôt lissée ou enlevée, ce qui suggère que l'abrasion n'est pas le mécanisme «gouvernant» du processus de brossage des dents. En effet, un mécanisme de «lubrification fractionnée» est supposé intervenir, favorisant la formation des agglomérats de silice supportent la charge normale dans des zones de contact localisées. L'efficacité du processus de nettoyage des dents est censée être contrôlée par la taille des agglomérats de silice, qui dépend à son tour de la mécanique et la physico-chimie de la surface de l’émail dentaire, de la chimie du dentifrice et de la mécanique de la brosse à dents. / In 1997, Stuart L. Fischman wrote “We certainly eat well, speak well, look fine and ‘smell fresh’—but we also have plaque, gingivitis and dental caries. The reader can determine how much progress has been made by reflecting on his or her personal oral health status!” Two decades later, this affirmation is still valid. The most common act of oral hygiene is to clean one’s teeth via toothbrush, water, and dentifrice. The main role of toothbrush and dentifrice is to remove the dental biofilm responsible for oral diseases. Over the years, several studies have focused on improving toothbrushing techniques, toothbrush design, and dentifrice composition, often leading to conflicting results. It is largely accepted that dental biofilm is removed by means of cleansing particles, which can be found in many dentifrice compositions. Since the mechanism of the cleansing particles is commonly believed to be abrasive, research on teeth cleaning has been mainly conducted from an ‘abrasive’ point of view, so much so that cleansing particles are frequently referred to as ‘abrasive particles’. Nonetheless, teeth cleaning is a complex process involving several mechanisms (bio-chemical, physico-chemical, and mechanical), each one activated by factors that are both internal (such as individual oral environment and individual oral hygiene habits) and external (such as toothbrush design and dentifrice composition). This work started from the idea that teeth cleaning cannot be reduced to an abrasion process; consequently, in order to gain deeper knowledge about the actual behavior of the cleansing particles, it is necessary to understand the contribution of each mechanism involved. A biomimetic system was developed to reproduce toothbrush, dental enamel, acquired enamel pellicle, and dentifrice (modeled as a silica-based slurry). The system was analyzed from a tribological point of view, adopting the ‘third-body approach’ and employing different experimental techniques such as infrared spectroscopy, atomic force microscopy, and environmental scanning electron microscopy. The contribution of the dental enamel surface mechanics and physico-chemistry, of the dentifrice chemistry, and of toothbrush mechanics was assessed. Results showed that the biomimetic acquired enamel pellicle was not scratched during teeth cleaning, but rather smoothened or removed, suggesting that abrasion is not the governing mechanism of the toothbrushing process. Indeed, a ‘fractionated lubrication’ mechanism is believed to take part, promoting the formation of silica agglomerates that bear normal load at localized contact areas. The effectiveness of the teeth cleaning process is believed to be controlled by the size of the silica agglomerates, which in turn depends on dental enamel surface mechanics and physico-chemistry, dentifrice chemistry, and toothbrush mechanics.

Au cours de la phase de préformage, le renfort sec peut être soumis à plusieurs déformations : la tension, le cisaillement mais aussi la compression. Si les deux premières déformations ont été bien explorées dans plusieurs études ces dernières années, ce n’est pas le cas de la compression. Pourtant, ce type de déformation affecte de manière importante la perméabilité du renfort lors de l’injection de la résine, car il change la porosité du renfort tant au niveau de la forme qu’au niveau de la dimension. La présente thèse propose d’étudier le comportement du renfort en compression et l’influence de cette déformation sur la perméabilité. Pour cela, des essais de compression sont menés pour étudier l’impact de la compaction sur la déformation globale du renfort ainsi que des différents facteurs susceptibles de l’affecter. Parallèle aux essais expérimentaux, des simulations numériques à l’échelle mésoscopique par éléments finis ont été mises en place. Les simulations réalisées sont validées à partir des essais mécaniques. Les géométries déformées obtenues par les simulations mécaniques ont été ensuite traitées par une chaîne de maillage pour l’obtention d’un maillage 3D régulière d’un VER fluide. La prédiction de la perméabilité du renfort tissé est réalisée en résolvant les équations de Stokes et Brinkman et l’utilisation de l’homogénéisation sur le maillage décrit précédemment / During the preforming phase, the dry reinforcement may be subjected to several deformations: tension, shear, but also compression. If two first déformations have been well explored in several studies in recent years, this is not the case of compression. However, this type of deformation significantly affects the permeability of the reinforcement during resin injection because it changes the porosity of the reinforcement both in form and in terms of size. This thesis proposes to study the behavior of the reinforcement in compression and the influence of this deformation on the permeability. For this purpose, compression tests are conducted to study the impact of compaction on the overall deformation of the reinforcement and the various factors that may affect it. Parallel to the experimental study, finite element based numerical simulations at the mesoscopic scale was implemented. The simulations are validated by the mechanical tests. The deformed geometry obtained by the mechanical simulations was then processed by a meshing chain to obtain a 3D regular mesh of the RVE fluid. The prediction of the permeability of the woven reinforcement is achieved by solving the Stokes and Brinkman equations and by using the homogenization on the grid mentioned above.

Cette thèse traite des aspects tribologiques et dynamiques de la perception tactile donnée par un doigt lors du balayage d'une surface. Une attention particulière est portée à l'analyse directe des spectres des vibrations induites par contact entre le doigt et la surface touchée, qui représente un nouveau champ de recherche. En fait, si le fait que les vibrations activent les afférentes tactiles et leur rôle essentiel pour la perception des textures fines est une chose acquise (duplex theory of tactile texture perception), le lien entre les caractéristiques de la surface, leur perception et les caractéristiques des spectres des vibrations induites est encore inconnu. Le travail de est animés par la volonté de contribuer à comprendre les mécanismes du toucher, élément clé de nombreuses applications touchant différents domaines : la quantification de la qualité des textiles, l'ergonomie des objets du quotidien (affectant grandement leur compétitivité commerciale), l'identification des imperfections de surface; la conception de dispositifs tactiles de communication , le développement de capteurs tactiles artificiels pour les prothèses intelligentes ou assistants robotisés, le développement des interfaces homme-machine pour l'interaction avec les réalités virtuelles ou des systèmes de télé-opération (télédiagnostic ou microchirurgie), ou encore le développement de tests d'évaluation de la sensibilité tactile lors d'un diagnostic. L'étude d'un doigt se déplaçant sur une surface, comporte plusieurs difficultés liées aux caractéristiques du contact et aux mesures mêmes. Ces problèmes ont fait que la première étape du travail présenté a été la conception d'un nouveau dispositif expérimental, baptisé TriboTouch, développé pour reproduire le balayage d'une surface par un doigt dans des conditions de contact réalistes (vitesse de balayage, charge normale, rugosité de surface, etc.) et surtout, en évitant la production de bruit. Le banc d'essai a été conçu pour garantir la reproductibilité des mesures et pour effectuer des mesures sans introduire de bruit parasite. Il permet de réaliser à la fois des mesures de la dynamique globale et des mesures de la dynamique locales (au niveau de la zone de contact) employant un doigt en silicone. L'analyse présentée s'intéresse au comportement de l'index de la main droite, en contact avec différentes surfaces (rugueuses périodiques ou isotropes et issues de textiles), analysé pour différentes vitesses de balayage et valeurs de la charge appliquée en soulignant le rôle des empreintes digitales. Un modèle numérique simple a été développé pour reproduire le comportement des vibrations induites lors du balayage de deux surfaces périodiques et les résultats sont comparés aux résultats expérimentaux. La correspondance de la distribution des fréquences de vibrations a mis en évidence le rôle clé des empreintes digitales dans les spectres de vibration et, en conséquence, pour la perception tactile. / This thesis deals with the tribological and dynamic aspects of tactile perception given by the scanning of the finger on a surface. The attention is focused on a direct analysis of the vibration spectrum characteristics, induced by the surface features that is a relatively new research field. In fact, it is accepted that vibrations activate the tactile afferents and their essential role for the perception of fine textures (duplex theory of tactile texture perception) but it is still unknown the link with the surface texture characteristics and the features of the induced vibration spectra. The work is aimed to contribute to a better understanding of the mechanisms of the tactile sense, that is basilar for manifold different applications: textile quality quantification, ergonomics of everyday objects (which largely affects their commercial competitiveness), identification of surface imperfections, the design of tactile communication devices, the development of artificial tactile sensors for intelligent prostheses or robotic assistants, the development of human-machine interfaces for interaction with virtual realities or teleoperation systems, such as for telediagnosis or microsurgery, reproducing real perception (virtual reality), increasing the human perception (augmented reality), development of tests for evaluation of tactile sensitivity during diagnosis or monitoring process in rehabilitation. The study of a finger that moves on a surface involves different difficulties that are related to the material characteristics and to the measurements themselves. For these reasons, a new experimental set-up, named TriboTouch, has been developed to reproduce the finger/surface scanning phenomena under real values of the contact feature (scanning velocity and amplitude, surface roughness, etc..), avoiding undesired vibrations. The test bench has been designed to guarantee the measurements reproducibility and to perform measurements without introducing external noise. The set-up permits to carry out both measurements of the global dynamics and local ones (at the contact zone) employing a silicone fake finger. In the presented analysis, the behavior of the right hand index finger scanning on the surface sample with periodical and isotropic roughness and on textiles has been investigated for different scanning speed, highlighting the role of fingerprints A simple numerical model have been developed for reproducing the behavior of the induced vibrations when sliding two periodical surfaces and the numerical results have been compared with the experimental ones. The presented work has shown the possibility to obtain objective indexes for the tactile perception characterization, by means of the friction induced vibration spectrum analysis, in agreement with the neurophysiological studies present in literature.

Les contraintes économiques et environnementales toujours plus exigeantes tendent à réduire la quantité de lubrifiant utilisée dans les systèmes mécaniques. Il en résulte des épaisseurs de film de l’ordre du nanomètre dans les zones de contact, laissant seulement quelques couches de molécules de lubrifiant pour assurer la séparation des surfaces. Pour relever ce défi, de nouveaux fluides sont à l’étude tels que les liquides ioniques qui présentent un formidable potentiel en tant que lubrifiants. Grâce à la Dynamique Moléculaire, la réponse rhéologique d’un liquide ionique à différentes sollicitations de température, pression et cisaillement est tout d’abord caractérisée en détail. Avec l’appui d’essais expérimentaux, l’aptitude du liquide ionique à lubrifier des films minces est confirmée. Cette étude a également permis de jeter un nouveau regard sur les modèles analytiques classiques utilisés en rhéologie. Le liquide ionique en situation de nano-confinement entre deux surfaces représentatives d’un contact acier-acier est ensuite étudié. Les effets combinés du glissement à la paroi, de la rhéofluidification et de l’élévation de température apportent des éléments de réponse pour expliquer la saturation de la contrainte de cisaillement aux fortes sollicitations. Enfin, l’influence de différents revêtements de surface limitant grandement le frottement est analysée. Selon le matériau utilisé, des régimes de lubrification très différents surviennent avec un glissement du fluide à la paroi parfois prédominant. L’utilisation de surfaces polaires impacte également fortement la réponse des contacts lubrifiés par un liquide ionique. / Increasing economic and environmental constraints tend to reduce the amount of lubricant used in mechanical systems. This results in nanometric film thicknesses in the contact areas, leaving only a few layers of lubricant molecules to ensure the separation of the surfaces. To meet this challenge, new fluids are being considered such as ionic liquids which feature a great potential as lubricants. Through Molecular Dynamics simulations, the rheological response of an ionic liquid to different conditions of temperature, shear and pressure is first characterized in detail. The ability of the ionic liquid to lubricate thin films is confirmed. Besides, this study goes back over the classic analytical models used in rheology. The ionic liquid is then nanoconfined between two representative surfaces of a steel-steel contact. The combined effects of wall slip, shear-thinning and temperature rise provide answers to explain the saturation of the shear stress. Finally, the influence of different low friction surface coatings is analyzed. According to the material used, very different dynamical behaviors occur. Moreover, it is shown that the use of polar surfaces significantly impacts the response of ionic liquid lubricated contacts.

Ces dernières décennies de nombreux modèles de paliers à feuilles ont été développés. Aujourd'hui, la limite de ces modèles est apparente notamment au niveau de la compréhension des comportements non linéaire du système rotor palier et de la quantification de sa dissipation énergétique. Il est essentiel pour les développements futurs de maîtriser les instabilités liées au fonctionnement de ces paliers. Grâce à une approche variationnelle et la MEF, la structure flexible a été modélisée comme une structure mince soumise à la pression d'un fluide compressible, isotherme, laminaire puis turbulent. Nous tenons compte dans cette étude, des frottements secs internes en utilisant la loi de Coulomb et la méthode du Lagrangien augmenté. Le modèle de structure est couplé avec équations de Reynolds des films minces afin de déterminer le comportement du rotor à l'aide du principe fondamental de la dynamique. Nous avons montré la pertinence de l'approche choisie, notamment l'utilisation du modèle de structure mince sur le comportement dynamique du rotor et sur le champ de pression hénéré dans le palier. On démontre aussi l'intéraction entre les déflections des bumps et le frottement sec. L'action du flambage est doublement accentué par le phénomène de frottement présent entre les feuilles, modifiant ainsi la dissipation d'énergie dans le palier. Le second objectif a été d'identifier l'origine des phénomènes subsynchrones afin de développer des nouveaux paliers en se dédouanant des instabilités qu'elles engendrent. / These last decades numerous model for airfoil bearings have been developed. But nowadays, these models are not sufficiently accurate for the rotor response prediction in the presence of non linearities. It is essential for the future developments to control the instabilities due to the non linear behavior in order to quantify the energy dissipation in the bearings. By means of a variational approach, the flexible structure is modeled as a thin media subjected to a compressible fluid pressure, isothermal and in a laminar then turbulent regime. The model is built up using FEM for the foils response. the internal dry friction is taken into account with Coulomb’s law and the updated Lagrangian method. The structure model is coupled with Reynolds equation to calculate the rotor motions, thanks to the basic principle of dynamics (B.P.D). This work is performed, first, to put in evidence the influence of thin structure approach on the rotor behavior and on the field pressure. The link between bumps deflections and dry friction is established. The structure buckling is twice increased by the phenomenon of friction between sheets and energy dissipation. The second objective is to identify the subsynchronous frequencies in order to establish the relevance of the new airfoil model for non linear and instabilities investigations.

L’objectif de cette thèse est d’approfondir la connaissance sur la génération et la propagation des ondes à travers l’interface de contact afin de contrôler leurs effets sur le frottement, contrôler les instabilités et réduire les phénomènes d'usure. Le travail est organisé en deux parties principales. La première partie est axée sur une analyse non-linéaire par éléments finis en grandes transformations; la rupture dynamique à l’interface de contact avec frottement, qui sépare deux corps (isotropes et élastiques) en condition de pré-charge statique, est simulée. On définit comme étant une rupture une zone, initialement en adhérence, qui change son état en devenant glissante. Les propriétés des ruptures sont analysées pour une surface plane entre deux matériaux différents en fonction de l’énergie de nucléation; l’effet de la rugosité de surface est ensuite analysée. En outre, la rupture "cumulatives" dans les aspérités et les conditions pour le couplage ou le non-couplage entre les ondes qui se propagent dans les deux corps sont étudiées. Dans la deuxième partie, l'amorçage du glissement entre deux corps en contact constitués de matériaux différents et séparés par une interface avec frottement, est simulée. L’évolution, en fonction du temps, des forces globales (normale et tangentielle) a été mise en relation avec les phénomènes locaux qui se déroulent à l’interface. L'analyse montre comment les micro-slips à l'interface, en agissant comme ruptures localisées, déclenchent les macro-slips entre les deux corps. L'interaction entre les dynamiques locale du contact et globale du système a été aussi étudiée. Enfin, une analyse paramétrique est menée en fonction de plusieurs paramètres (loi de contact, coefficient de frottement, amortissement matériau, charge normale, etc.). Les résultats mettent en avant le rôle-clé des micro-slips et des précurseurs (propagations d'ondes détectables qui ont lieu pour des valeurs de la force tangentielle globale inférieures à la valeur prévue par la loi de frottement) dans l'amorçage du macro-slip entre les deux corps. En fonction de leur distribution et de leur intensité, l'évolution des forces de contact change en passant d'un comportement de type stick-slip à un glissement continu. La dynamique locale au contact (propagation des ondes et ruptures) a été reliée au comportement global du système (stick-slip, glissement continu, vibrations induites); l'effet des paramètres du contact et du système sur le transfert d'énergie vibrationnelle entre le contact glissant et le système a également été examinée: en fonction de leurs valeurs, on peut avoir différentes modalités d'excitation du système (par une distribution de micro-slips ou par des macro-slips) et différentes processus de propagation et dissipation d'énergie. Les résultats numériques obtenus dans les deux parties de la thèse sont cohérents avec les résultats expérimentaux de la littérature. / This thesis is addressed to the understanding of the mechanisms at the origin of the contact wave fields at frictional interfaces and its relationship with the local characteristics of the surfaces in contact, as well as with the global dynamics and macroscopic frictional behaviour of the system. The aim of this work is to provide insights on the generation and propagation of the waves through the contact both to avoid instabilities and to control their effect on friction. The work is organized in two main parts. The first part presents the development of a non-linear finite element analysis in large transformations of the dynamic rupture at the interface with contact friction separating two bodies (isotropic and elastic) without relative motion. A rupture is considered when an initially sticking zone shifts in sliding state. The properties of the obtained ruptures are analyzed for a flat interface between dissimilar materials in function of the nucleation energy; then the effect of the interface roughness is analyzed. The differentiated rupture inside the asperities and the conditions for coupling and uncoupling between the waves radiating in the two bodies have been also investigated. In the second part, the analysis deals with the sliding onset between two bodies in contact. The sliding between two bodies made of different isotropic elastic materials and separated by a frictional interface is simulated. The evolution along the time of the global normal and tangential forces is analyzed, relating it to the local phenomena occurring at the interface. This part tries to investigate how micro-slips at the interface, acting as distributed ruptures, trigger the macro-slips between the two bodies. The interaction between local and global dynamics is also studied. Finally a numerical parameter space study is carried out, as a function of several system parameters (contact law, friction coefficient, material damping, normal load, translational velocity and regularization time). The results show the key role of the micro-slips and precursors (detectable wave propagations that occur at tangential global force well below the critical value expected by the friction law) in triggering the macro-slip between the two bodies. Depending on their distribution and magnitude the evolution of the contact forces passes from stick-slip-like behaviour to continuous sliding. The local dynamics at the contact (wave and rupture propagation) is linked to the global behaviour of the system (stick-slip, continuous sliding, induced vibrations); the effect of the contact and system parameters on the transfer of vibrational energy between the sliding contact and the system is investigated. The numerical results obtained by the two parts of the work show a good agreement with experimental results in literature.

Dans le domaine automobile, les réductions de consommation de carburant et des émissions polluantes constituent des axes de recherches majeurs. Dans ce contexte, de nombreux efforts sont portés sur l’amélioration du rendement des boîtes de vitesses. Parmi l’ensemble des pertes générées dans une boîte de vitesses, les pertes par barbotage peuvent représenter une source de perte importante. Si différents modèles existent pour quantifier les pertes par barbotage, aucun d’entre eux ne prend en compte l’influence de la présence d’air dans le lubrifiant. Grâce à un banc d’essais spécifique, il est montré que l’aération de l’huile peut avoir un impact sur les pertes par barbotage. Un modèle original d’estimation des pertes dues à l’aération est alors développé. Ce dernier révèle que des propriétés du lubrifiant autres que la viscosité ou la masse volumique peuvent avoir une influence sur les pertes par barbotage. L’étude des pertes par barbotage conduit également à s’intéresser à ce mode de lubrification largement employé dans les boîtes de vitesses manuelles. Actuellement, la mise au point de cette méthode de lubrification souffre d’un manque d’informations portant principalement sur les débits mis en jeu lors du phénomène de projection d’huile par les pignons en rotation. L’analyse de ces débits d’huile est conduite au moyen d’un banc d’essais développé spécifiquement. Les nombreux résultats de mesures obtenus permettent de mieux appréhender ce phénomène de projection. Un modèle analytique est finalement proposé permettant d’estimer les débits d’huile projetée pouvant être utilisé lors de la mise au point de la lubrification d’une boîte de vitesses. / Reducing fuel consumption and automobile emissions are nowadays the main topics of research for the automotive industry. Therefore, the situation involves concentrating many efforts to improve gearbox efficiency. Churning losses may represent a significant source of loss among the losses generated in a gearbox. Several models have been developed to quantify churning losses but they do not consider the air present in the lubricant. The use of a specific test rig has revealed that oil aeration could have an impact on churning losses. A heuristic model estimating aeration induced losses has therefore been developed. The latter reveals that some unexpected lubricant's properties, apart from viscosity and density, may impact churning losses. Indeed, the study of churning losses also encourages learning more about this type of lubrication, widely used in manual gearboxes. There is currently a lack of information around the development of that method of lubrication. This lack of information bears mainly on the flows involved in the phenomenon of oil splashed up by the rotating gears. The analysis of the involved oil flows is carried out with a test rig designed for that purpose. Therefore, the numerous findings based on a series of measurements may help splash phenomenon to be better understood. Finally, an analytical model is proposed to help estimate the flow of oil splashed. Such model may be used for the development of gearbox lubrication.

Le développement de lubrifiants à haute valeur ajoutée subissant des conditions opératoires de plus en plus draconiennes, économes en carburant et performants pendant une longue durée reste un défi considérable pour les fabricants d’huiles. Cette thèse concerne l’étude du rôle et des actions des améliorants d’indice de viscosité (ou Viscosity Index Improvers (VII)) dans les lubrifiants moteurs. Le premier objectif visé dans ce travail est la caractérisation des comportements rhéologiques et la modélisation de la viscosité en fonction de conditions réelles de température, pression et contrainte de cisaillement pour des solutions d’huile de base et de polymère sans additifs fonctionnels. Plusieurs polymères (PAMA, OCP et PISH) de masses moléculaires et conformations (peigne, linéaire et étoile) différentes sont utilisés à 1,2% en masse dans une huile de base minérale hydrocraquée. L’originalité de la thèse réside dans l’utilisation de rhéomètres non-commerciaux à haute pression (jusqu’à 800 MPa). Un deuxième défi réside dans la compréhension de la relation entre la réponse rhéologique des lubrifiants automobiles simplifiés et les mécanismes présents à l’échelle moléculaire en explorant les notions de conformation, de solubilité et de rayon hydrodynamique grâce à l’extension de la loi d’Einstein à haute pression. Enfin, l’étude se concentre sur le lien entre rhéologie et tribologie et par extension, entre la composition chimique du lubrifiant et la tribologie. Les épaisseurs de film sont mesurées et comparées avec les prédictions analytiques de Hamrock-Dowson et avec les simulations numériques basées sur l’équation de Reynolds généralisée en incluant les modèles rhéologiques. Les données expérimentales et numériques sont en adéquation. / The development of high value-added lubricants overcoming more and more drastic operating conditions, fuel-efficient and providing excellent performance during a long time remains a huge challenge for oil makers. This thesis is dedicated to the study of the role and the actions of Viscosity Index Improvers (VII) in engine lubricants. The first objective targeted in this work is the characterization of the rheological behaviors and the modeling of viscosity in function of realistic conditions of temperature, pressure and shear stress for polymer-thickened base oil solutions without functional additives. Several polymers (PAMA, OCP and PISH) with different molecular weights and conformations (comb, linear and star) are used with a concentration of 1.2% (w/w) in a hydrocracked mineral base oil. The originality of the thesis lies in the use of non-commercial rheometers under high pressure (up to 800 MPa). A second challenge is the understanding of the relationship between the rheological response of simplified engine lubricants and the mechanisms occurring at the molecular scale by exploring the notions of conformation, solubility and hydrodynamic radius by the extension of the Einstein’s law at high pressure. Finally, the study focuses on the link between rheology and tribology and by extrapolation, between the chemical composition of the lubricant and tribology. The film thickness is measured and compared with the Hamrock-Dowson analytical predictions and with the numerical simulations based on the generalized Reynolds’ equation including the rheological models. Both experimental and numerical data are in good agreement.

Avec l’apparition de moteur électrique dans le secteur automobile, les réducteurs mécaniques fonctionnent à des vitesses de rotation de plus en plus élevées. Pour ce type de réducteur, les pertes de puissance au niveau des paliers à roulements peuvent être prédominantes pour des vitesses de rotation élevées. Ces pertes sont fortement dépendantes du comportement thermique du palier à roulement. D’où l’intérêt de développer des outils numériques permettant d’estimer les puissances générées au sein d’un palier à roulement. Cette estimation permettra en phase de pré-étude de développer un dispositif de refroidissement adapté afin d’éviter tout risque de dégradation du palier à roulement. Cette thèse présente une nouvelle approche permettant d’étudier le comportement thermomécanique de palier à roulement. Cette approche intermédiaire requiert un minimum de paramètres d’entrée (géométrie externe du palier à roulement et condition de fonctionnement). Elle utilise la méthode dite « des réseaux thermiques » pour obtenir une interconnexion entre les pertes de puissance et le comportement thermique du palier à roulement. Enfin cette approche permet de calculer la puissance dissipée au sein d’un roulement et les températures des bagues et du lubrifiant principalement pour une application hautes vitesses. Cette approche est développée pour des roulements à billes à gorge profonde et contact oblique. Des valeurs expérimentales sont nécessaires pour valider cette nouvelle approche. C’est pourquoi, un nouveau banc d’essai modulaire dédié à l’étude du comportement thermomécanique de palier à roulement a été développé. Sur ce nouveau moyen d’essai, une grande variété de paliers à roulements peut être testée pour différentes conditions de fonctionnement. Pour les premiers essais, un roulement à billes à gorge profonde lubrifié par injection est testé pour un fonctionnement hautes vitesses (produit (n×D_m) supérieur au million). / Rolling Element Bearing (REB) is an essential component in mechanical transmission to reduce friction between rotating parts. Now, with the development of electrical motor in mechanical industry, REBs may work at very high rotation speed. It leads to an increase of REB power losses and temperatures. Theses power losses are strongly coupled with the REB thermal behaviour. The oil temperature has a significant impact on the kinematic viscosity which in turn affects the REB power losses. Based on thermal network approach, an intermediate model is developed in this study. This new model allows obtaining lumped information (temperature of rings) with a minimum of input data (REB external geometry and operating condition only) and by using global power loss models. This intermediate model is developed for angular contact ball bearing and deep groove ball bearing under oil jet lubrication for high speed application. Experimental data are required to validate this new approach. That why, a modular test rig is designed to obtain information on the REB thermomechanical behaviour. The new test rig developed in this study is dedicated to a wide range of REB dimensions and for different operating conditions. For the first test, a deep groove ball bearing under oil jet lubrication is studied for high speed application ((N.dm) product is higher than one million.)

Bien que le diagnostic des roulements par analyse vibratoire soit un domaine très développé, la recherche sur les représentations parcimonieuses des signaux de vibration est encore nouvelle et difficile pour le diagnostic des machines tournantes. Dans cette thèse, de méthodes nouvelles ont été développées, au moyen de différents modèles stochastiques, associées à des algorithmes efficaces afin de servir l’industrie dans le diagnostic des roulements. Tout d’abord, les modèles parcimonieux présentés dans la littérature sont revus. Les principales publications concernant le diagnostic des machines tournantes ont également été considérées. Enfin, en discutant des avantages et des inconvénients des représentations parcimonieuses, une interprétation des structures creuses d’un point de vue Bayésien est proposée, ce qui donne lieu à deux nouveaux modèles de diagnostic des machines tournantes. Dans un second temps, un nouveau modèle stochastique est proposé : il introduit une variable cachée relative à l’apparition d’impacts et estime le contenu spectral des transitoires correspondants ainsi que le spectre du bruit de fond. Cela donne lieu à un algorithme de détection automatique - sans besoin de pré-filtrage manuel - à partir duquel les fréquences de défaut peuvent être révélées. Le même algorithme permet également de filtrer le signal de défaut de manière très efficace par rapport à d’autres approches basées sur l’hypothèse stationnaire. La performance de l’algorithme est étudiée sur des signaux synthétiques. L’efficacité et la robustesse de la méthode sont également vérifiées sur les signaux de vibration mesurés sur un banc d’essai (engrenages et paliers). Les résultats sont meilleurs ou au moins équivalents à ceux de l’analyse d’enveloppes classique et du kurtogramme rapide. Dans un troisième temps, un nouveau schéma pour l’extraction de signaux cyclostationnaires (CS) est proposé. En considérant la variance périodique en tant que variable cachée, un filtre temporel est conçu de manière à obtenir la reconstruction intégrale des signaux CS caractérisés par une fréquence cyclique préétablie, qui peut être connue à priori ou estimée à partir de la corrélation spectrale. Un intérêt particulier de la méthode est sa robustesse lorsqu’elle est appliquée sur des données expérimentales ainsi qu’une capacité d’extraction supérieure par rapport au filtre de Wiener conventionnel. Finalement, ces exemples expérimentaux témoignent de l’utilisation polyvalente de la méthode à des fins de diagnostic de signaux composés. Pour finir, une analyse comparée utilisant le calcul rapide de la corrélation spectrale est réalisée sur une base de données publiquement disponible et largement utilisée. C’est un point crucial qui fixe un défis non-trivial à résoudre. / Although vibration-based rolling element bearing diagnostics is a very well-developed field, the research on sparse representations of vibration signals is yet new and challenging for machine diagnosis. In this thesis, several novel methods have been developed, by means of different stochastic models, associated with their effective algorithms so as to serve the industry in rolling element bearing diagnostics. First, the sparsity-based model (sparse code, in natural image processing) is investigated based on the current literature. The historical background of sparse representations has been inquired in the field of natural scenes. Along three aspects, its mathematical model with corresponding algorithms has been categorized and presented as a fundamental premise; the main publications are therefore surveyed in the literature on machinery fault diagnosis; finally, an interpretation of sparse structure in the Bayesian viewpoint is proposed which then gives rise to two novel models for machinery fault diagnosis. Second, a new stochastic model is introduced to address this issue: it introduces a hidden variable to indicate the occurrence of the impacts and estimates the spectral content of the corresponding transients together with the spectrum of background noise. This gives rise to an automatic detection algorithm – with no need of manual prefiltering as is the case with the envelope spectrum – from which fault frequencies can be revealed. The same algorithm also makes possible to filter out the fault signal in a very efficient way as compared to other approaches based on the stationary assumption. The performance is investigated on synthetic signals with a high noise-to-signal ratio and also in the case of a mixture of two independent transients. The effectiveness and robustness of the method are also verified on vibration signals measured on a test-bench (gears and bearings). Results are found superior or at least equivalent to those of conventional envelope analysis and fast kurtogram. Third, a novel scheme for extracting cyclostationary (CS) signals is proposed. By regularizing the periodic variance as hidden variables, a time-varying filter is designed so as to achieve the full-band reconstruction of CS signals characterized by some pre-set characteristic frequency. Of particular interest is the robustness on experimental data sets and superior extraction capability over the conventional Wiener filter. It not only deals with the bearing fault at an incipient stage, but it even works for the installation problem and the case of two sources, i.e. bearing and gear faults together. Eventually, these experimental examples evidence its versatile usage on diagnostic analysis of compound signals. Fourth, a benchmark analysis by using the fast computation of the spectral correlation is provided. One crucial point is to move forward the benchmark study of the CWRU data set by uncovering its own unique characteristics.