L’objectif de cette étude est de caractériser le bruit de graillonnement des boîtes de vitesses automobiles, qui résulte des chocs entre les pignons au niveau des rapports non engagés, sous l’effet des fluctuations de vitesses imposées par le moteur. Outre les paramètres de conception de la boîte de vitesses et les conditions de fonctionnement, les paramètres qui gouvernent la réponse dynamique des pignons fous sont les couples de traînée et les caractéristiques des contacts qui gouvernent les chocs entre dents. Un modèle numérique non linéaire a été élaboré pour caractériser la réponse dynamique d’un pignon fou. Il permet d’identifier le seuil d’excitation au-delà duquel le phénomène de graillonnement apparaît et de qualifier la très grande diversité de comportements dynamiques susceptibles d’être observés, en fonction du niveau d’excitation adimensionnée, du jeu de denture et du coefficient de restitution des chocs entre dents. Les paramètres inconnus ont été identifiés expérimentalement, grâce à l’exploitation d’un banc d’acyclisme et l’implémentation de codeurs optiques sur les pignons menant et fou. Des essais en réponse libre amortie ont permis de discriminer les différentes sources de dissipation(roulements, palier du pignon fou, barbotage, etc.) et de valider les modèles permettant d’identifier le couple de traînée s’exerçant sur chaque pignon fou. D’autres essais en régime de fonctionnement stationnaire ont permis de décrire le coefficient de restitution des chocs entre les pignons, sa dispersion et sa variation avec la vitesse d’impact. Les mesures effectuées sous une excitation maîtrisée ont permis de caractériser le comportement dynamique du pignon fou et de valider les hypothèses retenues et les résultats numériques obtenus par le modèle non linéaire, recalé à partir des paramètres préalablement identifiés. Enfin, l’analyse du transfert entre les impulsions générées au niveau des pignons et la réponse vibratoire du carter a permis d’évaluer expérimentalement et numériquement le critère qui qualifie le bruit de graillonnement rayonné par la boîte de vitesses. La mise en oeuvre du modèle numérique permet d’analyser l’influence des paramètres de conception de la boîte de vitesses et de proposer des solutions qui minimisent le graillonnement, pour l’ensemble des rapports de la boîte et des conditions de fonctionnement. / The aim of this work is to characterize the rattle noise of automotive gearboxes, resulting from impacts between toothed wheels of unselected gear ratios. Dynamic response of idle gears firstly depends on design parameters and engine operating conditions. The unknown parameters are the drag torque acting on the idle gear and characteristics of impacts between teeth.A non linear dynamic model has been developed in order to identify dynamic response of idle gears. It allows identification of excitation threshold beyond which rattle noise rises, and describes the wide variety of dynamic behaviors that are likely to appear, depending on the dimensionless excitation amplitude, the clearance between gears and the restitution coefficient of impacts between teeth. The unknown parameters have been identified experimentally through implementation of optical encoders in the gearbox and the operation of a specific acyclism test bench. Analysis of the free damped response of the gearbox allowed discrimination of the different dissipation sources (bearings, connection between idle gear and shaft, churning, etc.). Models proposed to identify the drag torque have been validated. Further tests under stationary operating conditions allowed measurement of the restitution coefficient of impacts and its velocity dependent probability density function. Experiments under controlled excitation were used to characterize the dynamic behavior of the idle gear and validate the assumptions and the numerical results obtained from the non linear dynamic model, fitted with the parameters previously identified. Finally, the transfer between the impulses generated at the gears and the housing vibration has been investigated to evaluate experimentally and numerically the criterion used to describe the rattle noise radiated from the gearbox. The implementation of the model allows analysis of the influence of the gearbox design parameters and solutions that minimize rattle noise can be proposed for all gear ratios and operating conditions of the gearbox.

Les avancées technologiques de ces dernières années dans l'automobile ont permis d'améliorer les rendements des moteurs. Ainsi, les puissances délivrées augmentent et dans le même temps, les volumes alloués diminuent. Dans ce contexte, les pièces mécaniques requièrent un calibrage précis afin de tirer le meilleur parti de la place disponible. Ce dimensionnement au plus juste fait apparaître des phénomènes d'endommagement qui ne s'étaient pas révélés jusque là. Un dommage surtout notable est l'usure qui se manifeste par des arrachements de matière dans les systèmes mécaniques en contact frottant tels que les liaisons cannelées. L'objectif de la thèse est de développer une méthode de dimensionnement à l'usure qui soit applicable pour tous les systèmes de transmission de puissance. La méthode de dimensionnement est composée de six étapes et s'inscrit dans le cycle de développement d'un produit selon le schéma adopté chez PSA Peugeot Citroën. Les étapes du dimensionnement sont reliées par un critère énergétique qui permet d'effectuer les transitions d'échelle nécessaires. Plusieurs modèles numériques en deux dimensions et en trois dimensions sont utilisés pour la conception des systèmes mécaniques. Ils sont alimentés par des lois de comportement obtenues expérimentalement sur un système tribologique simple représentatif du système réel en termes de matériau, d'état de surface et de géométrie. L'usure est simulée numériquement à l'aide d'une méthode incrémentale. Des essais de validation sur un banc composant finalisent le dimensionnement. La méthode a été appliquée au cas d'une liaison cannelée particulière de la boîte de vitesse située sur l'arbre primaire. Technological advances in recent years in the automotive industry helped to improve engine performances. Thus, the delivered powers increase and in the same time, the allocated volumes decrease. In this context, mechanical parts require an accurate calibration in order for the designer to optimize the space available. This precise sizing gives rise to damage phenomena that had not previously revealed. Wear is the damage especially noticeable which is manifested by material pulling off the surface in frictional contact such as spline couplings. The aim of the thesis is to develop a design method to wear that is applicable to all power transmission systems. The design method consists in six stages and it is consistent with the product development cycle defined by PSA Peugeot Citroën. The steps are connected by an energy criterion which allows for scale transitions. Several numerical models in two dimensions and three dimensions are used for the design of the mechanical systems. Behavior laws obtained experimentally on a simple tribological system are used in these models. The simple tribological system is representative of the real system in terms of material, surface condition and geometry. Wear is simulated numerically using an incremental technique developed for the studied cases specifically. Experimental tests are performed on a component test rig to validate the design. The method was applied to the case of a spline coupling located on the primary shaft in the gearbox.

L'objectif de cette étude est de caractériser le bruit de graillonnement des boîtes de vitesses automobiles, qui résulte des chocs entre les pignons au niveau des rapports non engagés, sous l'effet des fluctuations de vitesses imposées par le moteur. Outre les paramètres de conception de la boîte de vitesses et les conditions de fonctionnement, les paramètres qui gouvernent la réponse dynamique des pignons fous sont les couples de traînée et les caractéristiques des contacts qui gouvernent les chocs entre dents. Un modèle numérique non linéaire a été élaboré pour caractériser la réponse dynamique d'un pignon fou. Il permet d'identifier le seuil d'excitation au-delà duquel le phénomène de graillonnement apparaît et de qualifier la très grande diversité de comportements dynamiques susceptibles d'être observés, en fonction du niveau d'excitation adimensionnée, du jeu de denture et du coefficient de restitution des chocs entre dents. Les paramètres inconnus ont été identifiés expérimentalement, grâce à l'exploitation d'un banc d'acyclisme et l'implémentation de codeurs optiques sur les pignons menant et fou. Des essais en réponse libre amortie ont permis de discriminer les différentes sources de dissipation(roulements, palier du pignon fou, barbotage, etc.) et de valider les modèles permettant d'identifier le couple de traînée s'exerçant sur chaque pignon fou. D'autres essais en régime de fonctionnement stationnaire ont permis de décrire le coefficient de restitution des chocs entre les pignons, sa dispersion et sa variation avec la vitesse d'impact. Les mesures effectuées sous une excitation maîtrisée ont permis de caractériser le comportement dynamique du pignon fou et de valider les hypothèses retenues et les résultats numériques obtenus par le modèle non linéaire, recalé à partir des paramètres préalablement identifiés. Enfin, l'analyse du transfert entre les impulsions générées au niveau des pignons et la réponse vibratoire du carter a permis d'évaluer expérimentalement et numériquement le critère qui qualifie le bruit de graillonnement rayonné par la boîte de vitesses. La mise en oeuvre du modèle numérique permet d'analyser l'influence des paramètres de conception de la boîte de vitesses et de proposer des solutions qui minimisent le graillonnement, pour l'ensemble des rapports de la boîte et des conditions de fonctionnement.