Les roulements soumis à des mouvements oscillatoires et des charges élevées sont nécessaires pour le fonctionnement de nombreux mécanismes industriels (actionneurs, commandes d’avions, machines pour l’usinage, robots, chaînes d’assemblages, …). Ces roulements sont soumis à des pressions de contact locales extrêmement élevées avec des vitesses de roulement faibles qui ne permettent pas une lubrification adéquate des interfaces des premiers corps avec de l’huile. Les essais d’endurance sur les roulements ont permis la reconstitution des courbes de dégradation pendant la vie du roulement. Des analyses des surfaces, effectués à chaque phase de la vie du roulement ont permis aussi bien de suivre l’évolution de la topographie à l’interface entre les pistes et les éléments roulants. D’autre parte, des analyses numériques par éléments finis ont permis d’obtenir des informations sur les distributions des contraintes et des déformations. Le croisement des résultats expérimentaux et numériques a donc permis la reconstruction des mécanismes locaux d’accommodation. Dans le cas d’un roulement oscillant non graissé, les déplacements relatifs et les contraintes sont principalement accommodés aux interfaces des premiers corps en contact, ce qui accélère l’endommagement final du roulement. Dans le cas d’un roulement oscillant graissé, une partie des déplacements relatifs et contraintes est accommodée dans une sous couche qui se forme dans la peau des éléments roulants. Cette accommodation se manifeste par l’accumulation de déformations plastiques qui s’avèrent être aussi à l’origine de l’endommagement final du roulement. L’analyse des surfaces de contact des roulements oscillants graissés montre qu’il se forme, en présence de la graisse et très tôt dans la vie du roulement, une couche (troisième corps graisse/particule et TTS en surface de la piste) qui protège les surfaces en contact. D’autre part, une expertise de roulement ayant fonctionné sur un avion de de type A340 révèle une forte similarité entre ses faciès d’usure et ceux obtenus lors des essais d’endurance, et valide ainsi les mécanismes d’accommodation reconstitués. Enfin, des questions portant sur les effets de la quantité de graisse, du glissement des éléments roulants, et des pauses sur un essai donné sont aussi traitées. / Bearings subjected to oscillatory motions and high loads are necessary for the operation of several industrial mechanisms (actuators, aircraft controls, machining, robots, assembly lines, ...). These bearings are subjected to extremely high local contact pressures with low running speeds, which do not permit adequate lubrication of the interfaces of the first bodies with oil. Endurance tests perfomed on commercial bearings allowed at reconstructing the evolution of the degradation curves during the bearing life. Surface analyses carried out at each phase of the bearing life also allowed at following the evolution of the topography at the interface between the bearing raceways and the rolling elements. On the other hand, numerical analyses, by finite element method, have led to obtain information on the distributions of stresses and deformations. The dialogue between experimental and numerical results allowed the reconstruction of the local accomodation mechanisms. In the case of ungreased oscillating bearings, the relative displacements are mainly accommodated at the surfaces of the first bodies in contact, which accelerates the damage of the bearing. In the case of greased oscillating bearings, part of the relative displacements and stresses are accommodated at the subsurface of the rolling elements. This accommodation mechanism is manifested by the accumulation of plastic deformations which are at the origin of the final degradation of the bearing. The analysis of the contact surfaces of the raceways of the greased oscillating bearings shows as well that, in the presence of grease, a layer (third body mixture of grease and particles, and TTS on the track surface) protects the surfaces of the raceway and thus accommodates the other part of the displacements and stresses. On the other hand, the analysis of an airelon bearing, dismounted from an A340 type aircraft, revealed a strong similarity between its topographies and those obtained during the performed endurance tests, validateing the reconstructed accommodation mechanisms. Finally, questions about the effects of the amount of grease, sliding of the rolling elements, and pauses on a given test heve been discussed too.

Quelques développements sont démontrés dans cette thèse, du modèle de contact au modèle de roulement et du modèle de roulement-rotor à la technique de reproduction par bancs. Tout d’abord, la méthode de perturbation est étendue afin de prouver que la rigidité et l’amortissement distribués en état stable EHL ne remplissent pas les conditions transitoires et que les coefficients intégrés ne sont pas appropriés pour les analyses dynamiques. La loi de distribution de la rigidité et l’amortissement du film d’huile de l’EHL est proposée. En combinant l’état initial d’une solution stable avec l’amortissement et la rigidité distribués de l’EHL transitoire, les comportements du film d’huile peuvent être prédits. Par la suite, l’effet du contact en bordure entre le cylindre et le courant est pris en compte dans les transmissions de roulement. Les méthodes d’approximation première et seconde sont proposées pour interpréter numériquement cet effet. La méthode d’approximation première se concentre sur l’adoption de la méthode du coefficient d’influence pour reproduire l’effet de contact de même que l’utilisation du procédé de normalisation pour respecter les résultats empiriques ; alors que la méthode d’approximation seconde se concentre sur une manière analytique rapide de décrire la pression Hertz au contact entre le cylindre et le courant. Ensuite, les matrices de roulements pratiques sont utilisées pour développer un code de dynamiques 3D du roulement-rotor, basé sur des formules Hertz et EHL classiques. En temps-domaine, la méthode Adams quatre-ordres est améliorée pour résoudre les équations incrémentées des dynamiques non-linéaires. En fréquence-domaine, la méthode analytique de HB-AFT est particulièrement employée pour combler des matrices de roulement en 3D et des solutions d’état stable 3D. De plus, la méthode de continuation arc-longueur augmente la vitesse de calcul. En utilisant les deux méthodes, certains facteurs peuvent être considérés qualitativement et quantitativement, en incluant les états initiaux, l’amortissement, l’excentricité et les tensions internes et externes. Enfin, une technique alternative est proposée pour reproduire les comportements de contact à l’intérieur des roulements sous une forte charge et des vibrations à haute fréquence, lorsque les paramètres actifs sont en sous capacité du banc. Cette thèse apporte des visions nouvelles mais simples sur ce qui se produit sur les contacts roulants et longitudinaux d’un roulement circulaire ; sur comment modéliser et résoudre le système non-linéaire de roulement-rotor en domaines à la fois temps et fréquence ; et sur le moyen de reproduire des conditions de contact extrême à l’intérieur des roulements. / Some developments on bearing applications are emphasized in this thesis, from contact model to bearing model, and from bearing-rotor model to bench reproduction technique. First, perturbation method is extended to prove that steady-state EHL distributed damping and stiffness do not satisfy the transient conditions, and steady-state EHL lumped coefficients are not suitable for dynamic analysis. Distribution law of EHL oil film damping and stiffness is attemptly proposed. Combining initial state of steady-state solution with transient EHL distributed stiffness and damping, dynamic behaviors of oil film are predicted. Second, edge effect of roller/race contact is considered in bearing transmissions. First and second approximation methods are proposed to numerically interpret this effect. First approximation method concentrates on adopting influence coefficient method to replay edge effect as well as using normalization process to respect empirical results, while second approximation method focuses on a fast-analytical manner of describing Hertz pressure inside roller slice. Third, practical bearing matrices are used to develop 3D bearing-rotor dynamics code, based on classical Hertz and EHL formulas. In time domain, four-order Adams method is improved to solve incremental nonlinear dynamics equations; In frequency domain, analytical method of HB-AFT is particularly employed to bridge 3D bearing matrices and 3D steady-state solutions, besides, arc-length continuation method increases calculation speed. Using both methods, some factors can be considered qualitatively and quantitatively, including initial states, damping, eccentricity, internal and external excitations. Last, an alternative technique is proposed to reproduce contact behaviors inside bearings under heavy loading and high-frequency vibrations, when working parameters are beyond bench capacity. This thesis gives new but simple insights into what happens to rolling and longitudinal contacts of bearing roller, how to model and solve nonlinear bearing-rotor system in both time and frequency domains, and where a way is to reproduce extreme contact conditions inside bearings using bench.

Le chrome dur, utilisé comme revêtement de tige d’actionneurs hydrauliques linéaires, a été interdit pour risque sanitaire (directive européenne REACH). A cet effet, un revêtement de WS2 a été sélectionné par Safran Landing Systems pour substituer le chrome dur comme revêtement de tige de piston de frein hydraulique. La démarche de sélection utilisée, est limitée par son incapacité à expliquer les performances observées et démontre le besoin d’une démarche de sélection d’autant plus appropriée que la notion d’étanchéité des actionneurs hydrauliques linéaires est « floue ». Comme, la tribologie n’a pas vocation à caractériser les revêtements de surface, parce que son plus petit objet d’étude est un triplet tribologique, cette étude propose l’évaluation de la compatibilité tribologique du revêtement de WS2, avec la fonction d’étanchéité. La démarche utilisée montre que l’étanchéité est régie, par un critère en pression, et par une vérification des caractéristiques tribologiques du système tige/joints requises pour la réalisation de l’étanchéité ; ce qui nécessite un piston hydraulique instrumenté. L’absence de ce piston est compensée par une « caractérisation tribologique approchée » du contact tige/joints, qui associe les expertises tribologiques de pistons hydrauliques d’essais de qualification, appuyées par un modèle éléments finis (EF) du piston hydraulique d’une part, et les résultats d’un essai de frottement piste/joints, conçus à cet effet à l’aide d’un modèle EF d’autre part. Les résultats montrent que le système tige/joints présente de bonnes caractéristiques tribologiques pour le facteur de frottement et l’usure, alors que la localisation de l’accommodation de vitesses dans le cas du contact tige/joint d’étanchéité, accélère le débit source du revêtement et limite sa durée de vie. Enfin, cette thèse comble un vide méthodologique en proposant, une démarche de sélection d’un revêtement pour une application tribologique, et une démarche de triboconception d’un actionneur hydraulique linéaire dans le cas d’un fonctionnement quasi-statique. / Hard chromium used as rod coating in linear hydraulic actuators has been forbidden by the European Directive REACH. In this situation, a WS2 coating has been selected by Safran Landing Systems to replace the hard chromium coating on rod pistons actuators of landing gear braking systems. The selection method was unable to explain the observed performance, and shows the lack of an appropriate methodology for the rod coating selection, mainly because the sealing concept is rather vague. Since tribology is not intended to characterize surface coatings, because its smallest object of study is a tribological triplet, this study proposes the evaluation of the tribological compatibility of the WS2 coating with the sealing function of the hydraulic piston. The adopted approach shows that the sealing performance is governed by a rod/seal contact pressure criterion and by the verification of the tribological characteristics of the rod/seal contact required to achieve a sealing performance. This tribological characterization requires an instrumented hydraulic piston. The absence of this piston is compensated by an "approximate tribological characterization" of the rod/seal contact, which combines the tribological expert analysis of hydraulic pistons of qualification tests, supported by a finite elements model (FE) of the hydraulic piston, and the results of a plate rod/seal friction test, designed for this purpose using another FE model. The results show that the rod/seal contact exhibits good tribological characteristics for the friction factor and wear, whereas the location of the velocity accommodation in the case of the rod/anti-extrusion seal contact accelerates the 3rd body generation of the coating and limits its life expectancy. Finally, this thesis fills a methodological lack by proposing a method of selecting a coating for a tribological application and a triboconception method of a linear hydraulic actuator in the case of quasi-static operating conditions.

Dans cette thèse, nous présentons et étudions une nouvelle formulation du problème de contact frottant entre deux corps élastiques se basant sur la méthode de Nitsche. Dans cette méthode les conditions de contact sont imposées faiblement, grâce à un terme additionnel consistant et stabilisé par un paramètre gamma. En premier lieu, nous introduisons, l’étude effectuée en petites déformations pour une version non biaisée de la méthode. La non-distinction entre une surface maître et une surface esclave permettera à la méthode d’être plus générique et applicable directement au problème d’auto-contact. Le cadre restrictif des petites déformations nous permet d’obtenir des résultats théoriques sur la stabilité et la convergence de la méthode. Ces résultats sont complétés par une validation numérique. Ensuite, nous introduisons l’extension de la méthode de Nitsche au cadre des grandes déformations qui est d’avantage pertinent pour les applications industrielles et les situations d’auto-contact. La méthode de Nitsche est formulée pour un matériau hyper-élastique avec frottement de Coulomb et se décline en deux versions : biaisée ou non. La formulation est généralisée à travers un paramètre theta pour couvrir toute une famille de méthodes. Chaque variante particulière a des propriétés différentes du point de vue théorique et numérique, en termes de précision et de robustesse. La méthode est testée et validée à travers plusieurs cas tests académiques et industriels. Nous effectuons aussi une étude de l’influence de l’intégration numérique sur la précision et la convergence de la méthode. Cette étude couvre une comparaison entre plusieurs schémas d’intégration proposés dans la littérature pour d’autres méthodes intégrales. / In this thesis, we present and study a new formulation of frictional contact between two elastic bodies based on Nitsche’s method. This method aims to treat the interface conditions in a weak sense, thanks to a consistent additional term stabilized with the parameter gamma. At first, we introduce the study carried out in the small strain framwork for an unbiased version of the ethod. The non-distinction between a master surface and a slave one will allow the method to be more generic and directly applicable to the self-contact problem. The restrictive framework of small strain allowed us to obtain theoretical results on the consistency and convergence of the method. Then, we present the extension of the Nitsche method to the large strain case more relevant for industrial applications and situations of self-contact. This Nitsche’s method is formulated for an hyper-elastic material and declines in the two versions: biased and unbiased. We describe a class of methods through a generalisation parameter theta . Particular variants have different properties from a numerical point of view, in terms of accuracy and robustness. To prove the accuracy of the method for large deformations, we provide several academic and industrial tests. We also study the influence of numerical quadrature on the accuarcy and convergence of the method. This study covers a comparison of several integration rules proposed in the literature for other integral methods.

Le développement de lubrifiants haute performance pour réduire le frottement dans les moteurs et limiter la consommation de carburant, demeure un défi majeur pour les fabricants d’huiles. Les améliorants d'indice de viscosité (VII) sont des polymères couramment utilisés pour réduire la dépendance en température de la viscosité du lubrifiant, afin de maintenir une lubrification hydrodynamique acceptable à haute température. Ce travail se concentre sur la compréhension du rôle des VII dans les lubrifiants moteur afin de relier leur réponse tribologique et leur comportement rhéologique. Des lubrifiants simplifiés sont étudiés, composés de divers polymères de différents poids moléculaires et conformations, ajoutés à une huile de base minérale. Premièrement, la dépendance de la viscosité à la température et la pression de ces lubrifiants est étudiée. Il est montré que leur comportement rhéologique résulte de mécanismes se produisant à l'échelle moléculaire, en considérant les notions de solubilité, rayon hydrodynamique et d’effets de conformation. Ensuite, la dépendance viscosité-cisaillement est discutée en fonction de la structure des polymères et prédite sur une large gamme de températures et de pressions à travers un modèle conventionnel. Cependant, les hypothèses qui sous-tendent ce modèle nous amènent à proposer une relation plus appropriée prenant en compte la viscoélasticité des lubrifiants. Enfin, des mesures d'épaisseur de film sont effectuées pour explorer comment l'addition de polymère affecte la réponse du lubrifiant dans les régimes élastohydrodynamique et thin film. Elles sont comparées aux prévisions analytiques basées sur les modèles rhéologiques établis précédemment. Il est montré i) une bonne adéquation entre les prévisions et les données expérimentales dans le régime EHD et ii) la présence d’une épaisseur critique pour certains polymères à partir de laquelle les résultats s’écartent significativement des prévisions. Ce régime thin film, aux faibles épaisseurs, est expliqué par le comportement non newtonien des lubrifiants et l'adsorption des polymères aux surfaces. / The development of high-performance lubricants to reduce engine friction and consequently fuel consumption remains a major challenge for oil manufacturers. Viscosity Index Improvers (VII) are polymer additives used for decades to limit the dependency of the lubricant’s viscosity on temperature, to maintain an acceptable hydrodynamic lubrication at high temperature, without experiencing excessive frictional and thermal losses at low temperature. This work focuses on understanding the role of VII in engine lubricants with the aim to bridge their tribological response with their rheological behavior. Simplified lubricants are studied, composed of various polymers of different molecular weights and conformations added to a mineral base oil. In a first part, the viscosity-temperature-pressure dependence of these lubricants is investigated. Their rheological behavior is shown to result from mechanisms occurring at molecular scale, by considering the notions of solubility, hydrodynamic radii and conformation effects. In a second part, the viscosity-shear stress dependence is discussed according to the polymers structure and predicted on a large range of temperatures and pressures through a conventional model. However, the strong assumptions behind this model lead us to propose a more appropriate relationship which takes into account the viscoelastic properties of the lubricants. Finally, film thickness measurements are conducted to explore how the polymer addition affects the lubricant’s response in the Elastohydrodynamic and Thin Film regimes. They are compared with analytical predictions based on the rheological models established previously. It is shown that i) there is a good agreement between predictions and measured film thicknesses in the EHD regime and ii) at lower thickness, i.e. in the Thin Film regime, some polymers show a critical thickness from which the film thickness significantly departs from the predictions. Several explanations are considered, among them the non-Newtonian behavior of the lubricants and the adsorption of polymers on the solid bodies.

Dans les grands systèmes de réfrigération, l’utilisation de réfrigérants comme lubrifiants, à la place des huiles, simplifie la conception du système, l’allège et réduit son impact environnemental. La très faible viscosité du réfrigérant conduit à une épaisseur de film séparant les deux surfaces comparable à leur rugosité. Néanmoins, des travaux expérimentaux avec le réfrigérant R1233zd suggèrent que la lubrification est possible dans ces conditions grâce à la formation d’une couche adsorbée sur la surface d’oxyde de fer. Les analyses expérimentales in situ dans le contact sont très difficiles à cause des conditions de fort confinement et haute pression. C’est pourquoi une approche numérique multi-échelles est développée, afin d’étudier l’impact des réactions physico-chimiques à l’interface réfrigérant-surface sur les propriétés de lubrification. La théorie de la fonctionnelle de la densité est utilisée pour quantifier au niveau quantique, l’adsorption d’une molécule de réfrigérant sur une surface d’oxyde de fer. Des énergies de liaison allant de -0.92 eV à -0.22 eV sont observées et reliées à différents cas d’adsorption. Ces résultats sont exploités pour paramétrer un champ de forces interfacial, qui prédit des structures moléculaires à l’interface, différentes de celles obtenues avec des potentiels basés sur les règles de mélange classiques. Des simulations de dynamique moléculaire utilisant ce champ de forces paramétré confirment l’existence d’une couche fortement adsorbée de R1233zd sur une surface d’oxyde de fer. Avec des surfaces atomiques lisses et seulement 2 nm d’épaisseur de film de réfrigérant, les couches adsorbées résistent à des pressions allant jusqu’à 4 GPa et des vitesses de cisaillement atteignant 100 m/s. Une valeur minimale de 5 molécules de réfrigérant par nm² est nécessaire à la formation de deux couches adsorbées à 0.5 GPa. De plus, des simulations en cisaillement avec une surface rugueuse prédisent une rupture totale du film à environ 13 GPa. / In large refrigeration systems, using the refrigerant as lubricant instead of oil can help to simplify the design, lighten the systems, and reduce their environmental impact. However, the very low viscosity of refrigerants leads to ultra-thin films separating the surfaces, with a thickness comparable to surface roughness. Nevertheless, experiments with the R1233zd refrigerant suggests that lubrication is still possible in that situation thanks to an adsorbed layer formed on iron oxide surfaces. Experimental in situ analysis area is very difficult because of high confinement and high pressure. That is why a multiscale numerical approach is developed here, to explore the impact of chemical reactions and physical processes at the refrigerant-surface interface on large-scale lubrication properties. Density functional theory is used to quantify the adsorption of a refrigerant molecule on an iron oxide surface at the quantum level. Binding energies ranging from -0.92 eV to -0.22 eV are measured and related to different adsorption cases. These results are then used to parametrize an interfacial force field, whose predictions of interfacial molecular structure differs from those obtained using potentials based on standard mixing rules. Large-scale molecular dynamics simulations involving this parametrized force field confirm the existence of a strongly adsorbed layer of R1233zd molecules on iron oxide surface. With atomically smooth surfaces, and a refrigerant film thickness as small as 2 nm, the adsorbed refrigerant layers resists pressures as high as 4 GPa and sliding velocities as high as 100 m/s. A minimum value of 5 refrigerant molecules per nm² is necessary to the formation of two adsorbed layers at 0.5 GPa. Moreover, sliding simulations with a rough surface reveal total film breakdown for ca. 13 GPa.

Depuis l'utilisation des boulons au XVème siècle pour assembler deux pièces, les assemblages boulonnés posent des questions quant à la compréhension de leur fonctionnement et de leurs défaillances, telles que la variation de la tension de serrage entrainant, le desserrage, le dévissage, la perte d'étanchéité, l'initialisation de fissures, ... Pour comprendre leur fonctionnement, une méthodologie d'analyse tribologique a été mise en place, permettant de démonter un assemblage boulonné sans le desserrer, afin de ne pas modifier les conditions de contact lors du desserrage. Ainsi, toutes les interfaces d'assemblages (‘‘filets’’ écrou/vis et ‘‘autres que filets’’) formant des triplets tribologiques, ont été étudiées durant les trois phases de leur cycle de vie (fabrication, serrage, service) par le biais de cas-tests de matériaux différents. Un dialogue interactif entre les expérimentations (corrélations d'images, expertises) et la simulation numérique (Eléments Finis, Eléments Discrets) a permis de dégager des interprétations, notamment concernant les trois phases. Lors de la fabrication, le roulage des vis engendre des transformations tribologiques superficielles au niveau des sous-surfaces des filets formés. Le cœur des vis (noyau) restant non-déformé, ce procédé crée ainsi une différence de microstructure au sein de ces vis, ce qui est une source d'altération de leurs propriétés en fatigue. Lors du serrage, il se forme à l'interface ‘‘filets’’ une mixture de troisièmes corps ‘‘sec-solide’’, accommodant la vitesse entre la vis et l'écrou. Cette mixture résulte d'une réactivité entre une graisse utilisée pour le serrage et des particules, détachées d'un revêtement appliqué sur les filets d'écrous et/ou de vis. En fin de serrage, une partie de la mixture reste piégée entre les filets, jouant le rôle de maintien de la tension de serrage. Dans ces conditions, il apparaît que le frottement varie en fonction de la rhéologie de la mixture, conditionnant la variation de la tension de serrage. En service, des instabilités de contact (glissement, décollement, ...) ont été identifiées au niveau des interfaces. Ces instabilités engendrent dans les interfaces ‘‘autres que filets’’ la formation d'un troisième corps oxydé. Ce dernier constitue un surplus de matière qui peut entrainer l'augmentation des contraintes mécaniques dans les assemblages. A l'interface ‘‘filets’’ écrou/vis, il a été constaté que si la mixture de troisièmes corps piégée en serrage n'est pas cohésive, elle est extrudée des contacts, initialisant la perte de la tension de serrage. A partir de ces interprétations, des interactions entre plusieurs circuits tribologiques conduisent à converger vers un scénario de fonctionnement des assemblages boulonnés, permettant de solutionner leurs défaillances par la re-conception (mise en place de gorge de décharge, ...). / Since the use of bolts in the fifteenth century to assemble two parts, the bolted assemblies have the interrogations according to the understanding of their operating and failures occurring, such as the variation of the clamping force leading to, self-loosening, loss of sealing performance, cracks initialization, ... In order to understand their operating, a methodology focused on tribological approach was established, enabling to disassemble a bolted assembly without loosen its, allowing to not change the contact conditions during loosening. So, all the bolted assemblies interfaces (nut/screw ‘‘threads’’ and ‘‘others than threads’’) constituting tribological triplets, have been studied according to the three stages of their full life-cycle (manufacturing, tightening and service) using configurations of different materials. An interactive dialogue between the experiments (fields measuring by digital images correlation, tribological analysis) and the numerical simulation (Finite Element Method, Discrete Element Method) has led to interpretations about the three stages. During the manufacturing, the rolling of screws generates tribological superficial transformations in subsurfaces of machined threads. Contrariwise, inside the volume of these machined screws, there is no tribological transformation. So, this manufacturing process creates a difference of microstructure in these screws, that could be a source of their fatigue properties destruction. During the tightening, it produces at ‘‘threads’’ interface a ‘‘dry-solid’’ mixture of third bodies, accommodating the speed jump between the screw and the nut. This mixture is the result of a reactivity between a grease used for bolted tightening and the particles, detached by plastic flow from a coating initially applied on the threads of nuts and/or bolts. At the end of the process, a part of the mixture remains trapped in the threads, playing the role of maintaining the clamping force. In these conditions, it appears that the friction varies depending of the rheology of the mixture, conditioning the variation of the clamping force. In service, contact instabilities (slip, peeling off, ...) have been identified in the interfaces. These instabilities lead to the formation of an oxidized third body in ‘‘others than threads’’ interfaces. This oxidized third body represents a surplus of material and can increase mechanical stresses in the assemblies. In the nut/screw ‘‘threads’’ interface, it was found that if the mixture of third bodies trapped during the tightening stage is not cohesive, it is extruded, initializing the loss of clamping force. Based on the findings, the interactions between multiple tribological circuits lead to converge to a scenario of bolted assemblies operating, allowing to solve their failures by re-designing (create discharge grooves, ...).

Les Vibrations Induites par Frottement (FIV) sont un phénomène complexe qui surgit chaque fois deux surfaces subissent un glissement relatif. Pendant les dernières décennies, une quantité significative de œuvres expérimentales et numériques a traité des Vibrations Induites par Frottement, tandis que la simulation de l'excitation dynamique de contacts frictionnels a été toujours un vrai défi dans beaucoup de domaines de recherche industrielles. Dans ce cadre de recherche, ce travail est adressé à l'analyse des Vibrations Induites par Frottement, en développant des analyses en même temps expérimentales et numériques ; on propose une nouvelle approche numérique pour reproduire l'excitation dynamique locale du contact et son effet sur la réponse vibrationnel du système, sans augmentation significative des coûts de calcul. Le système mécanique, l'objet de l'analyse, est composé par deux poutres en acier en contact frictionnel dans un mouvement relatif ; la dynamique simple du système tient compte de la distinction entre la réponse de dynamique du système et l'excitation à haut débit venant du contact. Une campagne expérimentale paramétrique a été conduite pour analyser les effets de trois paramètres de contact principaux (la vitesse de glissement, la charge normale et la rugosité superficielle) sur la réponse du système vibrationnel, c'est-à-dire sur les vibrations induites. En parallèle, un modèle numérique a été mis en œuvre pour reproduire l'excitation dynamique locale du contact et son effet sur la réponse vibrationnel du système. Une nouvelle loi de friction a été présentée dans le modèle, proposant l'utilisation d'un terme provoquant une perturbation dans le coefficient de frottement pour simuler les effets de l'excitation au contact. Les inclusions de l'excitation dynamique locale, en raison des phénomènes de contact, par le terme de perturbation du coefficient de frottement, permettent de reproduire correctement les Vibrations Induites par Frottement sans présenter une représentation de la topographie superficielle réelle, qui a besoin d'un grand nombre d'éléments, économisant donc le temps de calcul. Des signaux différents pour le terme provoquant la perturbation ont été testés pour simuler correctement les vibrations mesurées. L'évolution du terme provoquant la perturbation récupérée par une méthode inverse a surligné les contributions spectrales différentes de l'excitation locale du contact. La comparaison entre les Vibrations Induites par Frottement mesurées et ceux simulés numériquement a montré une bonne corrélation, validant la loi de frottement proposée. Finalement, l'effet d'un changement de rugosité e de vitesse de glissement a été aussi simulé numériquement et corrélé avec les résultats expérimentaux. / Friction-Induced Vibrations (FIV) are a complex phenomenon which arises each time two surfaces undergo relative sliding. During the last decades, a significant amount of experimental and numerical works dealt with Friction-Induced Vibrations, while the simulation of the dynamic excitation from frictional contacts has always been a real challenge to face in many industrial research areas. In this research framework, this work is addressed to the investigation of the Friction-Induced Vibrations, carrying on at the same time experimental and numerical analyses; a new numerical approach is proposed to reproduce the local dynamic excitation from the contact and its effect on the vibrational response of the system, without significant increase of the computational time costs. The mechanical system, object of the investigation, is composed by two steel beams in frictional contact during relative motion; the simple dynamics of the system allows for distinguishing between the dynamics response of the system and the broadband excitation coming from the contact. A parametrical experimental campaign has been conducted to analyse the effects of three main contact parameters (the relative sliding velocity, the normal load and the surface roughness) on the system vibrational response, i.e. on the induced vibrations. In parallel, a numerical model has been implemented to reproduce the local dynamic excitation from the contact and its effect on the vibrational response of the system. A new friction law has been introduced in the model, proposing the use of a perturbative term in the friction coefficient in order to simulate the effects of the contact excitation. The inclusions of the local dynamic excitation, due to the contact phenomena, by the perturbation term of the friction coefficient allows to correctly reproduce the Friction-Induced Vibrations without introducing a representation of the real surface topography, which usually needs a large number of elements, saving then computational time. Different signals for the perturbative term have been tested to simulate correctly the measured vibrations. The evolution of the perturbative term recovered by an inverse method allowed for highlighting the different spectral contributions of the local excitation coming from the contact. The comparison between the measured Friction-Induced Vibrations and the ones simulated numerically showed good correlation, validating the proposed friction law. Finally, the effect in a change of the sliding velocity and surface roughness have been simulated numerically too and correlated with experimental results.

Les principaux mécanismes d'amortissement présents dans les transmissions par engrenages sont étudiés, en se basant sur une analyse transitoire du problème de lubrification élasto-hydrodynamique dans les contacts linéiques. Plusieurs modèles linéaires sont proposés suite à de nombreuses simulations numériques, permettant de prédire l’amortissement du lubrifiant dans les différentes conditions de contact, y compris les situations des pertes de contact momentanées suivies d’impact. Un modèle dynamique d’engrenage à un seul degré de liberté est présenté qui combine les contributions diverses du lubrifiant à l'amortissement structurel représentatif de la dissipation interne des engrenages. Un certain nombre de comparaisons avec des résultats expérimentaux est présenté pour une gamme de conditions de fonctionnement et de géométries d'engrenages, qui prouve la capacité du modèle à reproduire proprement le comportement dynamique des engrenages droits. On montre que l'amortissement associé au lubrifiant contribue essentiellement lors des pertes de contact et des chocs entre dentures se produisant au voisinage des vitesses critiques. Le cas des engrenages hélicoïdaux est analysé différemment du fait de l’absence de perte de contact pour ce type d’engrenage. Un modèle tridimensionnel simple est ainsi développé qui prend en compte la dissipation des différents éléments de la transmission. Un nombre de résultats est présenté qui, d'abord, confirme la contribution majeure de l'engrènement à l'amortissement global des engrenages droits, et, dans un second lieu, montre que les paliers constituent la principale source d'amortissement dans les transmissions par engrenages hélicoïdaux. / The primary damping mechanisms present in geared systems are investigated based on a transient analysis of the elasto-hydrodynamic lubrication problem for line contacts. Several linear models are derived from extensive numerical simulations, which make it possible to simulate the damping caused by the lubricant squeezing by the teeth with and without momentary contact losses and impacts. A one-degree-of-freedom gear dynamic model is set up which combines these lubricant damping sources along with structural damping that reproduces the internal dissipation in gear elements. A number of comparisons with benchmark experimental evidence are presented for a range of operating conditions and gear geometries, which prove that the proposed approach is sound in the case of spur gears. It is shown that the damping associated with lubricant squeezing contributes for the most part when contact losses and shocks between the teeth occur at critical speeds. The case of helical gears is analyzed differently since no contact loss occurs for such gears. A simple three-dimensional model is thus developed which accounts for the dissipation in the mechanical parts surrounding the gears. A number of results are presented which, first, confirm the primary contribution of the gear mesh to the overall damping in spur gears, and second, show that bearings constitute the main source of damping in helical gears transmissions.

L’objectif de ce travail est d’utiliser les nanoparticules (NPs) de nanosondes fluorescentes de température en particulier dans les films lubrifiants. Le développement de ces nanosondes nécessite la détermination de leurs sensibilités thermiques afin de pouvoir sélectionner les NPs les plus prometteuses. Pour atteindre cet objectif, nous avons présenté deux méthodes d’élaboration utilisées pour la synthèse des nanostructures à base de SiC-3C, la méthode d’anodisation électrochimique et la méthode d’attaque chimique. Dans le premier cas, les analyses FTIR,RAMAN et MET des NPs finales ont montré que la nature chimique de ces NPs est majoritairement formée de carbone graphitique. L’étude détaillée de la photoluminescence de ces NPs a montré que le processus d’émission dépend de la chimie de surface des NPs, du milieu de dispersion et de sa viscosité, de la concentration des suspensions et de la température du milieu. Pour la deuxième famille de NP de SiC, les analyses cohérentes MET, DLS et PL ont montrées une taille moyenne de 1.8 nm de diamètre avec une dispersion de ±0.5nm. Le rendement quantique externe de ces NPs est de l’ordre de 4%. Les NPs dispersées dans l’éthanol, n’ont pas montré une dépendance à la température exploitable pour notre application. Par contre, les NPs de SiC produites par cette voie, étant donné la distribution en taille resserrée et le rendement quantique « honorable » pour un matériau à gap indirect, sont prometteuses pour des applications comme luminophores en particulier pour la biologie grâce à la non toxicité du SiC. Dans le cas des NPs de Si, nous avons également étudié deux types différents de NPs. Il s’agit de : (i) NPs obtenues par anodisation électrochimique et fonctionnalisées par des groupements alkyls (décène, 1-octadécène). Nous avons mis en évidence pour la première fois une très importante variation de l’énergie d’émission dEg/dT avec la température de type red-shift entre 300 et 400K. Les mesures de(T) conduisent à une sensibilité thermique de 0.75%/°C tout à fait intéressante par rapport aux NPs II-VI. De plus il a été montré que la durée de vie mesurée n’est pas fonction de la concentration. (ii) NPs obtenue par voie humide et fonctionnalisées par le n-butyl. Pour ce type de NPs nous avons mis pour la première fois en évidence un comportement de type blue-shift pour dEg/dT de l’ordre de -0.75 meV/K dans le squalane. Pour ces NPs, la sensibilité thermique pour la durée de vie de 0.2%°C est inférieure à celle des NPs de type (i) mais largement supérieure à celle des NPs de CdSe de 4 nm (0.08%/°C). La quantification de cette la sensibilité à la température par la position du pic d’émission dEg/dT et de la durée de vie nous permet d’envisager la conception de nanosondes de température basée sur les NPs de Si avec comme recommandations l’utilisation de NPs obtenues par anodisation électrochimique et de la durée de vie comme indicateur des variations en température. / The goal of this study is the use of Si and SiC nanoparticles (NPs) as fluorescent temperature nanoprobes particularly in lubricating films. The development of these nanoprobes requires the determination of their thermal sensitivity in order to select the best prospects NPs. To achieve this goal, we presented two preparation methods used for the synthesis of 3C-SiC based nanostructures : (i) anodic etching method and (ii) chemical etching method. In the first case, the FTIR, Raman and TEM analysis of final NPs showed that the chemical nature of these NPs is formed predominantly of graphitic carbon. The detailed photoluminescence study of these NPs showed that the emission process depends on the surface chemistry of the NPs, the dispersion medium and its viscosity, the suspension concentration and temperature of the environment.. In the second case, coherent TEM, DLS and PL analyzes showed an average size of 1.8 nm in diameter with a dispersion of ±0.5 nm. The external quantum efficiency of these NPs is 4%. NPs dispersed in ethanol, did not show an exploitable fluorescence dependence on temperature for our application. On the other hand, 3C-SiC NPs produced by this way, given the narrow size distribution and the reasonably high quantum yield for an indirect bandgap material, are promising for applications such as luminophores in particular in the biology field thanks to nontoxicity of SiC. In the case of Si we studied also two different types of NPs. (i) NPs obtained by anodic etching and functionalized by alkyl groups (decene, octadecene). We have demonstrated for the first time an important red-shift in the emission energy dEg/dT with temperature from 300 to 400K. The PL lifetime measurement(T) lead to a thermal sensitivity of 0.75% /°C very interesting compared to II-VI NPs. Furthermore it has been shown that t is not depending on the concentration. (ii) NPs obtained by wet-chemical process and functionalized with n-butyl. For this type of NPs we have identified for the first time a blue-shift behavior of dEg dT in the order of -0.75 meV/K in squalane. The thermal sensitivity for the PL lifetime of these NPs is 0.2%/°C, which is lower than that of NPs obtained by anodic etching method, but much greater than that of CdSe NPs with 4 nm of diameter (0.08%/°C). Quantification of the temperature sensitivity by the position of emission peak dEg/dT and the PL lifetime dτ/dT allows us to consider the realization of temperature nanoprobes based on Si NPs with recommendations to use Si NPs obtained by anodic etching method and PL lifetime as an indicator of temperature changes.