Les récentes séverisations des normes d’émission a indirectement conduit le groupe RENAULT à durcir et optimiser les spécifications appliquées aux surfaces en contact. Les portées de vilebrequins sont particulièrement concernées. A l’instar des développements produit/process liés au rodage des fûts de cylindre, il est envisagé depuis peu d’appliquer une texturation antifriction sur les tourillons et manetons. Ces portées de paliers sont actuellement superfinies par toilage, un procédé d’abrasion à la fois robuste et économique. Malheureusement, le toilage produit, en usine du moins, une unique morphologie de surface, à savoir, une striation circonférentielle intégrale. Il apparaît, en ce sens, très limité. La présente étude a pour objectif d’investiguer plus finement les capacités de texturation du toilage. Elle propose un ensemble d’analyses expérimentales visant à comprendre les limites texturales observées en production série et offre des solutions innovantes afin d’accroître très sensiblement le potentiel texturant du procédé. S’articulant autour du triptyque Procédé/Texture/Fonctionnalité, ce travail se positionne également dans une démarche globale en s’intéressant à la fois à la texturation laser, la caractérisation des surfaces texturées et à l’influence des textures sur la fonctionnalité statique et dynamique des paliers. Les résultats montrent en particulier que le procédé de toilage est capable de produire, de manière robuste, une véritable diversité de textures. Ils montrent également que la recherche de « poli miroir » pourraient être à prioriser sur les portées de vilebrequins. / The recent introduction of tougher emissions standards has indirectly led the RENAULT group to tighten up and optimize specifications applied to surfaces in contact. Crankshafts journals are particularly concerned. Like product/process developments linked to the honing of cylinder liners, there have been recent plans to apply anti-friction texturing to crankshaft journals and crank pins. These bearing surfaces are currently super-finished by belt-grinding, an abrasion procedure that is both robust and economical. Unfortunately, belt-grinding produces a unique surface morphology, in the factory at least, i.e. integral circumferential striation. In this sense it appears very limited. The purpose of this study is to investigate in more detail the texturing capacities of belt-grinding. It provides a set of experimental analyses aiming to understand the textural limits observed in the factory and offer innovative solutions to significantly improve the texturing potential of the procedure. Focusing on the three-pronged Process/Texture/Functionality approach, this work is also part of a global process by looking both at laser texturing, characterization of the textured surfaces and the influence of textures on the static and dynamic function of the bearings. The results show in particular that the belt-grinding procedure is capable of robustly producing a real diversity of textures. They also show that striving to achieve a « mirror-polish » finish may be something to prioritize for crankshafts journals.

Les nouvelles générations d’avions, tant civils que militaires, sont désormais pleinement engagées dans l’électrification des commandes de vol. Afin d’atteindre les nouveaux objectifs et critères mis en place pour le bon développement de ces actionneurs électro-mécaniques, il est nécessaire d’effectuer des études en amont. Ces études portent principalement sur le comportement mécanique et tribologique des pièces en contact afin d’éviter l’évènement le plus redouté qui est le grippage, au sens blocage irréversible du système. En effet, ces actionneurs électro-mécaniques sont soumis à des sollicitations de chargement vibratoires qui induisent des déplacements de très faibles amplitudes entre les pièces en contact. Ces micro-glissements peuvent induire de l’usure, de la fissuration, de l’écaillage, etc. Pour répondre à ces objectifs, les travaux de recherche menés dans cette thèse, ont porté sur quatre axes majeurs. Le premier axe consiste à étudier et déterminer le comportement tribologique des premiers corps en milieu sec, puis en incorporant des traitements de surface. Le second axe a permis de déterminer les différents régimes de lubrification du contact lubrifié à la graisse. Nous avons montré que le régime de lubrification totale est caractérisé par la formation d’un tribofilm lubrifiant et protecteur. Des analyses plus poussées ont portées sur les cinétiques de formation et destruction de ce tribofilm ainsi que sa nature. Le troisième axe est consacré à l’étude du comportement tribologique du contact revêtu en milieu graissé. Le dernier axe de travail est destiné à la mise en place d’outils de simulation et de prévision de l’usure, et donc à posteriori du grippage, en fonction des conditions de chargement. Ces quatre axes d’études complémentaires ont donc permis de mettre en place des outils de comparaison de graisses et de revêtements, de comprendre le comportement du contact étudié ainsi que de développer des outils de simulation. / Electrification of flight controls represents an important milestone for both civil and military next-generation aircraft. A successful development of electro-mechanical actuators used for this type of application not only requires the establishment of a set of appropriate objectives and criteria but also the study of fundamental aspects. These studies mainly focus on the mechanical and tribological behavior of parts in contact with the objective to prevent seizing. Seizing is defined as an irreversible blockage of the system and it can be considered as the worst-case scenario. As a matter of fact, the considered electro-mechanical actuators are subjected to vibrational loads which induce small displacements between the parts in contact. These micro-slidings can result in wear, cracking, scaling and other undesirable phenomena. This PhD thesis is divided into four major topics that each contributes to prevent seizing. More precisely, the first part of this thesis deals with the tribological behavior of the first bodies in dry condition both with and without surface treatments. As a second axis the different lubrication regimes of the greased lubricated interface were determined. We have shown that the total lubrication regime is characterized by the formation of a lubricant and protective tribofilm. A detailed analysis on the nature of the tribofilm as well as on its kinetics of formation and destruction was carried out. The third area is devoted to the study of the tribological behavior of the coated and greased contact. Finally, the fourth axis of this research deals with the question of how we can simulate and predict wear, and seizing as its most severe form, under multiple loading conditions. These four complementary areas allowed us to establish tools for comparison for greases and coatings in order to understand the behavior of the fretted interface and to develop simulation tools.

Le grippage dans le cas des aciers inoxydables est un phénomène complexe nécessitant une approche multi-échelle et multi-physique. Les 6 nuances d’aciers inoxydables sélectionnées au cours de cette thèse (316L, 316LN, Nitronic60, AISI660, Uranus45N et 17-4PH) ont été étudiées à l’état de réception et après traitements thermochimique de surface de type S3P. Ces matériaux ont subi un essai de grippage selon la norme ASTM G98 et les échantillons qui en résultent ont été caractérisés selon une approche d’abord surfacique (évolution de la morphologie de la surface, observations MEB…) puis en volume, notamment par le biais de l’approche originale de la microstructure (EBSD, DRX et MET notamment). Cette thèse a ainsi permis d’étudier les différents mécanismes intervenant lors du grippage des aciers inoxydables ainsi que d’étudier l’impact de différentes microstructures et composition chimiques sur ce phénomène. / Galling is a complex phenomenon requiring a multi-scale and multi-physical approach. During this thesis, 6 stainless steel grades (316L, 316LN, Nitronic60, AIS1660, Uranus45N et 17-4PH) are studied, both untreated and after S3P thermochemical heat surface treatment. These materials are tested according to ASTM G98 galling test and resulting samples are then characterized. This characterization is at first realized on the surface (surface morphology evolution, SEM investigations...), then on the bulk material, consisting mainly into a microstructural characterization based on EBSD, XRD and TEM investigations. It results from this thesis a better comprehension of the galling mechanisms in the case of stainless steel. The various effects of material composition, microstructure and material properties in general are also discussed.

Cette thèse CIFRE est réalisée dans le cadre d'un partenariat entre le laboratoire IMS de l'Université Bordeaux I et Airbus Operations S.A.S à Toulouse. Le thème abordé concerne la détection robuste et précoce de deux types particuliers de pannes dans le système de commandes de vol, à savoir l'embarquement et le grippage des gouvernes de profondeur. Afin de contribuer à l'optimisation du design structural des futurs avions, l'objectif est de proposer des méthodes capables d'améliorer les performances en détection des techniques actuellement en place, tout en garantissant un haut niveau de robustesse. Trois stratégies de surveillance à base de modèle sont présentées. La première solution est basée sur un filtre de Kalman dédié, associé à une procédure d'optimisation de ses paramètres. La seconde technique est basée sur un test de décision appliqué dans l'espace paramétrique, à une direction sensible identifiée. Finalement, une troisième approche consiste à utiliser un différentiateur à modes glissants pour estimer les dérivées du signal d'entrée et de sortie de la boucle d'asservissement. Les méthodes développées ont été implémentées dans le calculateur de commandes de vol et validées sur les bancs de tests Airbus et même en vol. Les résultats expérimentaux ont clairement mis en évidence l'apport des techniques présentées dans cette thèse par rapport à l'état de l'art industriel.

Des composites à matrice alumine contenant des nanoparticules métalliques (FeCr ou Fe) avec ou sans nanotubes de carbone (NTC) et densifiés par frittage flash (Spark Plasma Sintering, SPS) ont été étudiés dans des conditions de frottement oscillant de faible amplitude (fretting-usure) et de glissement alternatif. Un dispositif de fretting à débattement non imposé a été utilisé pour permettre aux matériaux en contact de s'adapter librement afin de simuler et d'identifier le phénomène de grippage dans différentes conditions de chargement (constant, progressif, avec ou sans ouverture de contact). Une modélisation paramétrique a permis de définir précisément les coefficients de frottement, les seuils de grippage et les énergies dissipées dans le contact. Les résultats obtenus présentent de grandes similitudes à faibles charges, mais on constate systématiquement une transition de charge brutale conduisant à une forte dégradation des composites avec NTC juste avant un grippage prématuré. Un dispositif d'acquisition d'émission acoustique a été utilisé sur certains essais pour identifier et suivre in situ les différentes phases de dégradation observées au cours du frottement. Des essais complémentaires en glissement alternatif, avec débattements imposés, ont également été réalisés afin de préciser le comportement en usure des composites étudiés. L'ensemble des résultats de fretting et de glissement ont permis de hiérarchiser les performances tribologiques des différents composites et conduit à l'identifier l'évolution des mécanismes d'usure en relation avec la présence d'un tribofilm à l'interface de contact. / Alumina matrix composites containing metal nanoparticles (Fe or FeCr) with or without carbon nanotubes (CNT) densified by spark plasma sintering (SPS) were studied under low amplitude oscillating friction conditions (fretting-wear) and reciprocating sliding. A free displacement fretting machine was used to enable contact materials to adapt freely to simulate and identify the seizure phenomenon under different loading conditions (constant, progressive, with or without contact aperture). Parametric modeling has helped to define precisely friction coefficients, seizure thresholds and dissipated energy in the contact. The results are very similar at low loads, but there is always a sharp transition at higher loads leading to severe degradation of composites with CNT just before an early seizure. An acquisition instrument of acoustic emission has been used during several tests to identify and monitor in situ different stages of degradation observed during friction. Additional tests under reciprocating sliding with imposed displacements have also been made for further understanding of wear behavior of composites. The overall results of fretting and reciprocating sliding helped to prioritize the tribological performances of different composites and lead to identify changes in wear mechanisms in relation with occurrence of a tribofilm in the contact interface.

Le développement de nouvelles technologies permettant d’obtenir des procédés de fabrication novateurs, de même que l’utilisation de nouveaux matériaux et lubrifiants, ont rendu possible une amélioration globale de l’efficacité des systèmes mécaniques et la résolution de nombreuses défaillances. Néanmoins, certains types de détérioration comme le grippage restent difficiles à appréhender car ils résultent de nombreux paramètres connexes tels que le régime de lubrification, la température du contact et le coefficient de frottement. Le grippage est un phénomène qui apparait de manière brutale et qui se caractérise par des arrachements et des transferts de matières entre les surfaces en contact pouvant aller jusqu’à la destruction complète du système. Ce dernier est généralement associé à une mauvaise dissipation des calories entrainant des températures de contact élevées. De nombreux critères basés sur la dissipation d’énergie dans le contact ont été établis sans pour autant que l’un d’eux ne soit unanimement reconnu par la communauté scientifique. La première partie de cette étude a consisté à caractériser le comportement en frottement d’un couple matériau-lubrifiant grâce à l’utilisation d’une machine bi-disque. En parallèle, une modélisation thermique de ce banc d’essais a été réalisée en utilisant la méthode des réseaux thermiques. Les corrélations entre les formules analytiques et les mesures expérimentales ont permis d’aboutir à l’établissement d’une loi de frottement liant conditions de contact et température de masse des éprouvettes. Il a aussi pu être démontré que la température de masse des disques pouvait être considérablement différente de la température d’injection du lubrifiant en fonction des conditions opératoires. Ce résultat permet une analyse nouvelle des critères de grippage dont la plupart assimilent la température des éprouvettes à celle d’injection du lubrifiant. Malgré cela, les différents essais de grippage réalisés montrent que l’unique considération de la température de contact pour établir un critère de grippage s’avère insuffisante. / The development of new technologies, which allow innovative manufacturing processes, as well as the use of new materials and lubricants have led to an overall improvement of mechanical systems efficiency and reliability. However some failures, like scuffing, remain difficult to understand since they depend on many related parameters such as the lubrication regime, the contact temperature and the friction coefficient. Scuffing is a critical damage that appears suddenly and which is characterised by local welds and scratches between the sliding surfaces. It can lead to complete destruction of the mechanical system. This phenomenon is in general related to poor heat dissipation and overheating resulting in high contact temperature. Numerous studies were conducted in order to establish a scuffing criterion based on energetic approach. But none of them is unanimously recognized by the scientific community. The first part of this study consisted in characterizing the frictional behaviour of a given couple of lubricant and material thanks to the use of a twin-disc machine. In a second part, a thermal modelling of this test bench has been realised using the thermal network methodology. Correlations between analytical formulas and experimental measurements allowed to establish a friction law relating contact conditions and disc bulk temperature. It has also been demonstrated that the disc bulk temperature could be considerably different from the lubricant injection temperature depending on the operating conditions. This result allows a new interpretation of existing scuffing criteria, which for most of them consider the disc temperature to equal the oil temperature. Despite this analysis, the scuffing experiments performed reveal that accounting solely for the contact temperature is not sufficient to establish a reliable scuffing criterion.

Cette thèse CIFRE est réalisée dans le cadre d’un partenariat entre le laboratoire IMS de l’Université Bordeaux I et Airbus Operations S.A.S à Toulouse. Le thème abordé concerne la détection robuste et précoce de deux types particuliers de pannes dans le système de commandes de vol, à savoir l’embarquement et le grippage des gouvernes de profondeur. Afin de contribuer à l’optimisation du design structural des futurs avions, l’objectif est de proposer des méthodes capables d’améliorer les performances en détection des techniques actuellement en place, tout en garantissant un haut niveau de robustesse. Trois stratégies de surveillance à base de modèle sont présentées. La première solution est basée sur un filtre de Kalman dédié, associé à une procédure d’optimisation de ses paramètres. La seconde technique est basée sur un test de décision appliqué dans l’espace paramétrique, à une direction sensible identifiée. Finalement, une troisième approche consiste à utiliser un différentiateur à modes glissants pour estimer les dérivées du signal d’entrée et de sortie de la boucle d’asservissement. Les méthodes développées ont été implémentées dans le calculateur de commandes de vol et validées sur les bancs de tests Airbus et même en vol. Les résultats expérimentaux ont clairement mis en évidence l’apport des techniques présentées dans cette thèse par rapport à l’état de l’art industriel. / The research work done in this PhD has been carried out under an industrial convention (CIFRE) between the IMS laboratory (Bordeaux University, France) and Airbus Operations S.A.S. (Toulouse, France). The thesis deals with two important Electrical Flight Control System failure cases: runaway (a.k.a. hard over) and jamming (or lock-in-place failure) of aircraft control surfaces. Early and robust detection of such failures is an important issue for achieving sustainability goals and for early system reconfiguration. The thesis focuses on the elevator runaway and jamming. Three model-based monitoring strategies are presented. The first approach is based on a dedicated Kalman filtering with optimised tuning parameters. The second method is based on a decision test applied to an identified sensitive direction in the parametric space. Finally, the third solution is based on a sliding mode differentiator. The techniques have been implemented in the flight control computer and validated on Airbus test facilities and during real flight tests. The experimental results confirmed that good level of performance and robustness can be obtained.