La compréhension et la modélisation d'un contact lubrifié en présence de texturation nécessitent une description physique très fine pour comprendre les analyses contradictoires et pour expliquer les résultats très différents en termes de performance présentes dans la littérature internationale. De nombreuses études théoriques et expérimentales ont montré que la texturation des surfaces pourrait améliorer les caractéristiques tribologiques des contacts. La capacité de charge, le coefficient de frottement et la résistance à l'usure sont les principales caractéristiques susceptibles d'être améliorées. La texturation de surface fait appel à de nombreux paramètres géométriques, qui peuvent agir de façon très différente selon le contact. Enfin, les phénomènes supposés expliquer l'apport de la texturation ne font pas l'unanimité dans la communauté scientifique. Ainsi, les différentes contradictions font que ce domaine de recherche est en pleine évolution.Dans ce contexte scientifique, l'objectif principal de cette thèse est de conduire, à travers une étude théorique et numérique approfondie, vers une meilleure compréhension des effets induits par la texturation dans un contact lubrifié. Les paramètres géométriques, essentiels par rapport aux phénomènes physiques générés, font l'objet d'une analyse étendue. Les éléments théoriques obtenus à travers cette étude permettront une optimisation opérationnelle de tous types de dispositifs fonctionnant dans un milieu lubrifié. Parmi ces nombreuses applications, la butée en régime hydrodynamique a été choisie afin d'illustrer la pertinence des résultats de nos recherches. / Understanding and modeling a lubricated contact in the presence of surface textures requires a refined physical description in order to comprehend and explain the contradicting results that are currently presented in international literature. An increasing number of theoretical and experimental studies have shown that surface texturing could improve the tribological properties of lubricated or even dry contacts. The load-carrying capacity, the friction coefficient or the wear resistance are the main characteristics that can be improved through texturing. Nevertheless, the lubrication mechanisms that might explain these effects are still the subject of debate within the scientific community. These various contradictions have lead to a significant development of this particular field of research. In this scientific context, the main objective of this thesis is to lead, by means of a thorough numerical and theoretical analysis, towards a better understanding of the physical effects induced by surface texturing in lubricated contacts. The geometrical parameters, which are essential with regard to the generated effects, are submitted to a detailed investigation that also takes into account the influence of the operating conditions (surface speed, viscosity, ambient pressure etc.). The theoretical conclusions obtained throughout this investigation should lead to an improvement in texture design and should allow an optimization of most devices operating in lubricated conditions. Among these various applications, the hydrodynamic thrust bearing has been chosen in order to illustrate the relevance of our findings.

The master’s thesis deals with a design of a radial journal bearing simulator, which is ready to implement a transparent sapphire journal bearing to an optical observation of the oil film. The first part of this thesis contains a short review of a few currently used journal bearing test rigs. The next part of the work deals with a discussion of concept variants and a definition of important parameters. The last part contains a detailed description of the designed radial journal bearing simulator. Limitations of the designed simulator and recommendations for future improvements are also discussed. The result of the presented work is the designed journal bearing simulator which will allow observing of the oil film. The work also consists a complete design documentation.

The thesis deals with complex connecting rod design of two stroke diesel engine with regard to minimising its weight. Three versions of design are suggested and for each of them the stress analyses are implemented and the fatigue safety factors are determined. On the basis of results of implemented analyses and evaluation of all the aspects the most appropriate design is chosen and the production drawing is drawn according to it. In the conclusion, hydrodynamic lubrication plain bearings, which are the integral part of every connecting rod, are designed.

Le contact Segment-Piston-Chemise (SPC) est essentiel pour la réduction des émissions de CO2 et de polluants dans les moteurs automobile. Pour optimiser ces deux contraintes antagonistes, il est nécessaire d’étudier l’influence de la microgéométrie afin de trouver de nouvelles architectures de ce contact. L’étude expérimentale étant très coûteuse, il est impératif de pouvoir modéliser les performances du contact SPC. Les méthodes multigrilles permettent de réduire considérablement les temps de calcul. Pour le contact SPC, les méthodes multigrilles classiques perdent leur efficacité en présence de texture. Un nouvel algorithme, basé sur des idées développées par Alcouffe et al. a été conçu qui permet l’étude du contact hydrodynamique en présence de texturation importante. Il a été validé par comparaison avec un modèle analytique 1D, ses performances ont été étudiées et une première étude de l’influence des paramètres sur la portance pour une surface striée a été faite. L’algorithme a ensuite été modifié pour imposer la conservation des flux. Un processus de relaxation plus proche de la physique du phénomène est utilisé. Le code obtenu n’atteint pas l’efficacité multigrille optimale. Cependant sa convergence est suffisamment rapide pour étudier l’influence de pores pour le segment plat et montrer l’importance d’une texturation partielle. Pour finir, le terme transitoire de l’équation de Reynolds est pris en compte. Pour un segment parabolique et une chemise striée, l’influence des paramètres des stries (profondeur, largeur, distance et angle des stries) sur la variation moyenne de la hauteur de film par rapport à une surface lisse est analysée. / The piston ring cylinder liner (PRCL) contact is essential in the CO2 and pollutant emission reduction in internal combustion engine. These two constraints being antagonistic, a compromise has to be found and it is necessary to study the microgeometry influence in order to find new PRCL contact architectures. As experimental study can be very expensive, modeling PRCL contact performance becomes crucial. Multigrid methods allow a huge reduction of the computational time. Unfortunately, in presence of texture, classical multigrid efficiency decays significantly and are not usable. A new algorithm based on an approach developed by Alcouffe et al. was designed that allows the study of the hydrodynamic lubrication of this contact even in the case of a highly varying geometry due to the texture. The obtained code was validated by comparison with a 1D analytical model, its performance was evaluated and a first study of an analytic cross hatched geometry parameter influence on the load carrying capacity was completed. The code was modified to include flow conservation. A relaxation process based closer to the physics phenomenon is used. The code efficiency is not the one that is expected from multigrid technics. However it convergence is sufficiently fast to study the dimple influence for the oil control ring and show the importance of partial texturing. Finally the transient term of the Reynolds equation is accounted for. In the case of a parabolic ring and for a cross hatched liner, the influence of the groove parameters ( depth, width, distance and groove angle) on the average minimum film thickness with respect to the smooth case is analyzed.

Title: Flows of incompressible fluids with pressure-dependent viscosity (and their application to modelling the flow in journal bearing) Author: Martin Lanzendörfer Department: Mathematical Institute of Charles University Supervisor: prof. RNDr. Josef Málek, DSc. Abstract: The viscosity of the fluids involved in hydrodynamic lubrication typically depends on pressure and shear rate. The thesis is concerned with steady isothermal flows of such fluds. Generalizing the recent results achieved in the case of homogeneous Dirichlet boundary conditions, the existence and uniqueness of weak solutions subject to the boundary conditions employed in practical applications will be established. The second part is concerned with numerical simulations of the lubrication flow. The experiments indicate that the presented finite element method is successful as long as certain restrictions on the constitutive model are met. Both the restrictions involved in the theoretical results and those indicated by the numerical experiments allow to accurately model real-world lubricants in certain ranges of pressures and shear rates. The last part quantifies those ranges for three representative lubricants. Keywords: existence and uniqueness of weak solutions, finite element method, pressure- thickening, shear-thinning, incompressible fluids,...

De nombreuses hypothèses sont classiquement utilisées pour décrire le comportement du fluide dans un contact lubrifié : film continu, viscosité constante dans l’épaisseur, film mince, fluide newtonien… Or, certaines s’avèrent erronées dès lors que l’on s’intéresse aux contacts Elasto- HydroDynamiques fortement glissants ou à la répartition du lubrifiant en sortie de contact. Une approche numérique originale, basée sur un retour aux équations de la mécanique des fluides générale et prenant en compte le couplage fluide/solide et les effets thermiques sont proposés ici dans le but d’apporter des éléments physiques supplémentaires aux modélisations usuelles. Dans un premier temps, l’influence des effets thermiques sur l’évolution du frottement dans les contacts Thermo-EHD est mise en évidence. La présence d’un minimum de frottement pour le cas du glissement pur est expliquée par l’analyse des transferts thermiques entre le lubrifiant et les solides. L’origine des modifications locales d’épaisseur de film observées et l’existence même d’une épaisseur de film lubrifiant pour les cas de vitesse d’entraînement nulle sont alors reliées à la présence d’un fort gradient de viscosité dans l’épaisseur de film. Une comparaison qualitative avec des éléments expérimentaux de la littérature est réalisée, validant les tendances obtenues. Dans un second temps, l’écoulement à surface libre du lubrifiant en périphérie du contact est étudié expérimentalement puis numériquement par une méthode à interface diffuse. Le rôle des effets capillaires est analysé et les résultats numériques confrontés à des résultats issus de la littérature. Un bon accord est obtenu tant qualitativement que quantitativement. Validé par l’étude numérique diphasique (air/lubrifiant) réalisée, un modèle analytique simplifié est alors développé, prédisant une loi de répartition du lubrifiant en sortie de contact. La zone de sortie des contacts EHD est ensuite traitée par un modèle de cavitation vaporeuse et la prise en compte nécessaire de l’air environnant est discutée. Enfin, une première modélisation tridimensionnelle de l’écoulement à surface libre du lubrifiant autour d’un contact ponctuel est réalisée mettant en avant l’influence des effets capillaires et la faisabilité d’une telle approche. / Classically, many assumptions are used to model the fluid behaviour in a lubricated contact : continuous film, constant viscosity across the film thickness, film thickness is very thin compared to other contact dimensions, Newtonian lubricant... However, some of them are not well-founded for the study of Elasto-HydroDynamic contacts with high sliding or to estimate the liquid distribution at the exit of the contact. An original numerical approach, based on the general fluid mechanics equations and taking into account the fluid/solid coupling and thermal effects, is developed here in order to give more physical insights to the usual modelling. First of all, the thermal effects are shown on the friction coefficient evolution for Thermo- EHD contacts. A minimum value is found concerning the friction value for the pure sliding case. It is explained by analyzing the heat transfer between the solids and the lubricant. The origin of the resulting local modifications of the film thickness and the existence of a film thickness for zero entrainment velocity cases are related to the presence of a high viscosity gradient through the film. A qualitative comparison is performed with experimental data from literature, validating the results. Second, the free surface flow of the lubricant around the contact is experimentally and numerically studied with a diffuse interface method. The capillary effects on the air/lubricant meniscus position are analyzed and quantitatively compared with experimental data from literature. Good agreements are found. An analytical approach is then developed, based on the numerical study of the two-phase flow. An analytical law predicting the liquid distribution is obtained. The exit area of EHD contacts is then investigated with a vaporous cavitation model highlighting the necessity of taking into account the effects of surrounding air and surface wettabillity. Finally, a first approach of the tri-dimensional two-phase flow is performed, showing the capillary effects on the interface location.

La température et la pression sont deux paramètres particulièrement importants pour l’optimisation des performances du régime de lubrification élastohydrodynamique (EHL). A ce jour, différentes méthodes expérimentales ont été développées, avec plus ou moins du succès, pour la mesure de ces deux paramètres. Ce travail présente, en continuité de ces approches, des investigations visant à développer une nouvelle technique in situ permettant de mesurer localement ces deux grandeurs dans les contacts élastohydrodynamiques (EHD). Cette technique exploite la sensibilité en photoluminescence (PL) des boîtes quantiques (ou en anglais « quantum dots (QDs)) de CdSe/CdS/ZnS aux variations de température et de pression. A cet égard, des calibrations ont été réalisées afin d’évaluer la sensibilité de ces QDs aux deux paramètres. De plus, la versatilité de ces QDs comme nanosondes a été examinée en testant deux lubrifiants différents : le squalane et un mélange de squalane et de cyclopentane. Des mesures ont été également effectuées sous conditions dynamiques afin d’étudier (i) l’influence de la présence des QDs sur la rhéologie du lubrifiant et (ii) l’influence du taux de cisaillement sur la PL des QDs. Bien que ces différents tests aient prouvé le potentiel des QDs de CdSe/CdS/ZnS, ils ont révélé l’existence d’autres paramètres qui peuvent, tout comme la température et la pression, en modifier la réponse. L’étude a été menée afin d’approfondir la compréhension des mécanismes responsables de tels effets. Plus important encore, une méthodologie a été définie pour minimiser ces effets indésirables, et pour in fine, permettre l’usage de ces QDs en tant que nanosondes fiables. / Temperature and pressure are two relevant parameters for the optimization of lubrication performance in the elastohydrodynamic lubrication (EHL) regime. To date, various experimental methods have been developed to measure these two parameters with more or less success. In a continuation of these efforts, some investigations are presented in the current work in view of developing a new in situ technique allowing for local measurements of these two parameters throughout elastohydrodynamic (EHD) contacts. This technique exploits the photoluminescence (PL) sensitivity of CdSe/CdS/ZnS quantum dots (QDs) to changes in temperature and pressure. In this respect, calibrations have been carried out in order to establish the sensitivity of these QDs to the two parameters. Moreover, the versatility of these QDs for sensing applications have been examined by testing two different lubricants, namely squalane and a mixture of squalane and cyclopentane. Some measurements were also conducted under dynamic conditions, in order to study (i) the influence of the QDs presence on the lubricant rheology and (ii) the influence of shear rate on the PL of QDs. Although these different tests demonstrated the potential of CdSe/CdS/ZnS QDs, they revealed the existence of other parameters that affect, in addition to temperature and pressure, their response. A comprehensive study was thus conducted in order to elucidate the mechanisms behind these findings. More importantly, a methodology was defined in order to minimize these undesired influences and, in fine, enable these QDs to be used as reliable nanosensors.

Ce travail est une contribution à l'étude du comportement des joints en translation. Un modèle numérique, basé sur la théorie inverse, est développé pour en prédire les performances. La principale contribution consiste dans le traitement des effets hydrodynamiques liés à la région d'entrée du contact. Les résultats numériques sont ensuite validés par comparaison avec lesmesures expérimentales. Ces dernières sont obtenues sur un dispositif original, conçu et réalisé au laboratoire INOE 2000 IHP de Bucarest. Ce banc reproduit les conditions réelles de fonctionnement d'un joint hydraulique et permet de mesurer la force de frottement à pression et vitesse constantes. La comparaison des résultats numériques et expérimentaux a été effectuéepour un joint de tige en forme de "U" à des pressions de service comprises entre 4 MPa et 20 MPa et pour deux vitesses de translation. Dans un premier temps, on a idéalisé le problème en considérant que les surfaces en contact tige-joint sont lisses. Si l'épaisseur du film est supérieure à la rugosité de la tige, les résultats numériques qu'on a obtenus sont en bonne corrélation avecles résultats expérimentaux. Dans le cas contraire, le modèle doit être amélioré. Cette amélioration a été entreprise de manière originale. En effet, la théorie inverse est appliquée à la distribution de pression statique du contact obtenue à partir de la simulation par éléments finis de l'assemblage d'un joint rugueux et d'un arbre lisse. La rugosité moyenne (Ra) de la surface dujoint en contact avec la tige a été choisie égale à la rugosité moyenne mesurée du joint étudié. Les résultats ainsi obtenus améliorent sensiblement la corrélation avec les mesures e / This work is a contribution to the study of reciprocating seals behavior. A numerical model, based on the inverse hydrodynamic lubrication theory, is developed to predict their performances. The main contribution consists in the treatment of the hydrodynamic effects in the entry region of contact. The numerical results are validated by comparison with experimentalones, obtained on an original experimental device, design and conceived in the laboratory INOE 2000 IHP of Bucharest. This bench reproduces actual operating conditions of a hydraulic seal and measures the friction force at constant pressure and speed. The comparison of experimental and numerical results was carried out for a "U" type rod seal at different operating pressuresvarying from 4 MPa up to 20 MPa and for two reciprocating speeds. Initially, we idealized the problem by assuming that the surfaces in contact are smooth. The numerical results obtained are in good correlation with experimental ones if the film thickness is greater than the rod roughness. Otherwise, the model must be improved. This improvement was undertaken in an original way. The inverse lubrication theory is applied to the dry frictionless contact pressure distribution, obtained from a FEM simulation of a rough seal and a smooth rod assembly. The average roughness (Ra) of the seal surface in contact with the rod is chosen equal to the measured average roughness of the studied seal. The results obtained significantly improve the correlationwith experimental measurements. The roughness distribution on the entry region of contact appears to have an important influence on the numerical results.

This diploma thesis is devoted to problems of crankshaft plain bearings at five-cylinder in-line engine. Document body describes behaviour of plain bearings under various working conditions. To needs of the hydrodynamic bearings simulations is created the cranktrain virtual model. Next part of hereof document deals with problems of bearing shell design. Is created survey of the bearing materials and shortly described technological processing of shell bearing. To understand complicated problems hydrodynamic lubrication is derived Reynolds differential equation and foreshadowed succession calculation dynamically loaded bearings. In final parts of this thesis are presented most interesting results obtained from computational analysis.