Dans des conditions de conduite dite douce, la bande de roulement de pneumatique présente des faciès d’usure de type cratères d’usure ou bien des rides.Le but de ce travail de thèse était de recréer et d’étudier ces faciès d’usure pour des élastomères renforcés par du noir de carbone ou de la silice sur un tribomètre rotatif afin de pouvoir expliquer leurs mécanismes de formation. Des parallèles ont été établis entre les valeurs de perte de masse, de coefficient de frottement et le type du faciès d’usure tout en prenant en compte les propriétés physico-chimiques des échantillons.L’étude a expliqué les différences entre les types de faciès d’usure générés sur des matériaux renforcés par du noir de carbone et ceux renforcés par de la silice. Les paramètres influant sur a transition cratères d’usure et rides ont également été étudiés. / In soft conditions of driving, wear patterns appear on the tire tread. They are called wear craters and ridges.The aim of this thesis work was to recreate and to study these wear patterns for reinforced elastomers by carbon black or silica on a rotary tribometer in order to explain their mechanisms formation. Parallels were established between the values of mass lost, friction coefficient and the type of wear patterns while taking into account the physico-chemical properties of samples.The study explained the differences between the type of wear patterns generated on reinforced materials by carbon black and those reinforced by silica. Affect parameters on the transition between wear craters and ridges were also studied.

Le présent document a pour objet la modélisation transitoire non linéaire du comportement vibratoire des systèmes de frein aéronautiques. Le but est de reproduire numériquement l’apparition et le niveau des vibrations au cours du temps, afin de les maîtriser et d’adapter la conception du frein. Les essais de freinage mettent en évidence deux modes de vibration que sont le whirl et le squeal. Si les niveaux de ces vibrations deviennent trop importants, la structure de la roue et du train d’atterrissage peut être endommagée. Afin d’éviter de tels dommages, la conception du frein doit être adaptée. Pour réaliser cela, Messier-Bugatti-Dowty doit disposer d’un modèle capable de prédire les niveaux de vibration du frein au cours du temps pendant la phase de freinage. Le modèle doit avoir une précision suffisante, être en lien avec la maquette numérique et ne doit pas exiger de recalage. Un premier travail vise à améliorer le modèle éléments finis existant qui se révèle être trop imprécis. Une étude portant sur les effets gyroscopiques permet d’évaluer leur impact sur la fréquence et la stabilité des modes de whirl. Une modélisation plus complète du bâti d’essai améliore la précision de la fréquence du mode de squeal. Enfin, le mode de whirl est mieux simulé grâce au développement d’un modèle de pneumatique à partir de son analyse modale. Ce modèle est ensuite réduit afin de réaliser une intégration temporelle. Une sous-structuration permet de séparer l’ensemble des disques du frein, où le frottement et la non-linéarité se situent, du reste de la structure considérée comme linéaire. Trois techniques de réduction de l’ensemble des disques sont exposées. On évalue leur représentativité par rapport au modèle non-réduit en comparant les fréquences et la stabilité des modes propres. La première méthode est une représentation nodale de l’ensemble des disques. Les équations décrivant la non-linéarité et le frottement sont analytiques. Pour la deuxième méthode, la non-linéarité est déplacée à l’extrémité de l’ensemble des disques pour la découpler du frottement. La troisième méthode, plus ambitieuse et complexe, conserve à la fois l’emplacement de la nonlinéarité aux interfaces frottantes et la géométrie des disques. Une technique de réduction modale permet d’abaisser le nombre de degrés de liberté non linéaires. Pour clore ce rapport, des simulations transitoires sont calculées à partir des modèles réduits. Des études d’influences sont réalisées. Les paramètres étudiés sont le type d’algorithme d’intégration temporelle, l’amortissement introduit, la loi non linéaire, la pression hydraulique d’entrée et le coefficient de frottement. Leurs impacts sur les niveaux et la durée d’apparition des vibrations est évalué. / This report deals with the non-linear transient simulation of the dynamic behaviour of aeronautic brake systems. The objective is to reproduce the occurrence and level of vibrations versus time in order to control and adjust design consequently. The braking tests highlight two eigenmodes, which are called whirl and squeal. If the level of these vibrations becomes too high, the structures of the wheel and the landing gear may be damaged. To avoid damage, the design has to be adjusted. To achieve this, Messier-Bugatti-Dowty requires a model that is able to predict the levels of vibrations of the brake when it is braking. This model must have an adequate accuracy, be linked to the digital mockup and not require tuning. First, the existing finite element model has to be improved because its initial accuracy is not acceptable. A study about gyroscopic effects allows to assess their impact on the frequency and the stability of whirl modes. A complete modelling of the test frame improves the squeal modes’ frequency accuracy. At last, the whirl modes are better simulated due to the development of a tyre model based on modal analysis data. Then, the finite element model is reduced in order to perform a temporal integration. A substructuring allows to separate the set of brake discs (heat sink), where friction and non-linearities are located, from the rest of the structure which is considered linear. Three heat sink reduction techniques are proposed. Their representativeness are estimated compared to the non-reduced model. The first technique is a nodal description of the heat sink. The equations of friction and non-linearity are analytical. For the second technique, the non-linearity is displaced to the extremity of the heat sink to uncouple it from friction. The third technique, more ambitious and complex, keeps the location and non-linearity in friction interfaces and discs geometry. A reduction technique enables to decrease the number of non-linear degrees of freedom. As a conclusion, transient simulations are computed from reduced models. Sensitivity studies are performed. Studied parameters are the type of integration solver, introduced damping, non-linearities, hydraulic pressure, and friction coefficient. Their impacts on level and duration of occurrence of vibrations is estimated.

La présence d'eau sur la route affecte l'adhérence des pneumatiques. Un film d'eau s'interpose entre le pneumatique et la rugosité du sol routier entraînant d'abord une perte de l'adhérence par adhésion provenant du contact direct gomme-sol. Ensuite, la réduction de la déformation de la gomme induit une diminution de l'adhérence par indentation. C'est ce second aspect qui sera étudié. Le film d'eau génère une portance par un phénomène de lubrification qui diminue la déformation du pneumatique et ainsi son adhérence. Cette étude est basée sur une théorie prédisant la diminution de l'amplitude de la rugosité en fonction des propriétés des surfaces et des conditions de contact. L'équation de Reynolds est résolue par des techniques de calcul efficaces. La viscoélasticité est implémentée dans les calculs de contact sec et lubrifié. L'objectif de cette étude est de proposer un modèle de prédiction de la diminution de l'adhérence d'un pneumatique sur sol mouillé. La meilleure compréhension du contact permettra d'améliorer le choix du matériau composant les bandes de roulements des pneumatiques. / Water presence on road affects tyre friction. A water film interposed between tyre and road asperities results first in a loss of adhesion friction coming from the direct contact between rubber and road. Then, the rubber deformation reduction leads to a diminution of the hysteretic friction. This study focuses on this last topic. The water film generates a hydrodynamic force by a lubrication phenomenon which decreases rubber deformation and friction. This study is based on a theory which predicts roughness amplitude reduction as a function of surface properties and contact conditions. Reynolds equation is solved using efficient computing methods. Viscoelasticity is implemented in dry and lubricated calculations. The aim of this research is to suggest a predictive model of the tyre friction decrease on wet roads. A better understanding of the contact will enable to improve the tyre tread material design.

La suspension CRONE Hydractive, développée par l’équipe CRONE dans le cadre des suspensions de véhicules automobiles, présente des performances remarquables. En effet, l’association de l’approche CRONE, garantissant la robustesse du degré de stabilité aux variations de la masse suspendue, et de la stratégie Hydractive, permettant la commutation d’une architecture de suspension orientée confort vibratoire à une autre orientée comportement routier,permet la mise en défaut de la plupart des dilemmes inhérents aux architectures traditionnelles de suspension. La présente étude propose ainsi le développement d’une version alternative de la suspension CRONE par deux approches. Une première approche consiste en la mise en place d’une version passive métallique reposant sur l’utilisation des ressorts à lames en s’inscrivant dans une démarche de modernisation et d’optimisation des technologies historiques. La seconde approche, quant à elle, consiste à proposer le développement d’une version active pneumatique de la suspension CRONE. La modélisation complète de l’architecture « CRONE » orientée confort est alors proposée à travers celle de ses accumulateurs et gicleurs pneumatiques. Cette nouvelle version de suspension, en adoptant une technologie d’actualité de plus en plus répandue et pouvant bénéficier des développements du Véhicule Autonome Connecté, ouvre de nouvelles perspectives d’évolution de la suspension automobile. / The Hydractive CRONE car suspension developed by the CRONE team provides outstanding performances. Indeed, the CRONE method ensures the robustness of the stability degree with respect to variations of the sprung mass, while the Hydractive strategy enables the switchover between a comfort-oriented architecture and a road-behavior-oriented one. The association of the CRONE method with the Hydractive strategy allows to circumvent most of the dilemmas that occur with traditional architecture suspensions. The present study aims to develop an alternative version of the CRONE suspension using two approaches. A first approach consists of the implementation of a passive metallic version based on leaf springs aiming the modernisation and optimisation of historical technologies. The second one, however, involves the use of a more relevant and increasingly widespread technology with the development of an active pneumatic version of the CRONE suspension. The complete modeling of the ``CRONE'' comfort-oriented architecture is then proposed through its pneumatic accumulators and nozzles. This new version, benefiting from the pneumatic active system and from the development of the Autonomous Connected Vehicle, opens up new prospects for the development of car suspensions.

La commande des actionneurs électropneumatiques a été un sujet largement traité au cours des dernières décennies. Le caractère fortement non-linéaire de son comportement en a fait un cas d'étude particulièrement pertinent dans le cadre d'une démarche d'application de la théorie de la commande des systèmes non-linéaires. L'utilisation de ces techniques a été comparée aux approches linéaires traditionnelles et généralement jugée largement supérieure notamment en termes de précision ou de temps de réponse. Dans ce manuscrit nous abordons très spécifiquement l'aspect multivariable du système et introduisons la transformée A-T, similaire à la transformée de Park appliquée classiquement aux systèmes électriques, afin de donner une forme strict feedback à son modèle d'état, de clarifier les phénomènes physiques mis en jeu lors de sa commande et de distinguer les deux degrés de liberté du système. Cette transformée permet en outre une comparaison directe avec les moteurs électriques décrits dans le repère de Park. Ce parallèle rend notamment possible la solution du problème délicat de l'observation de la position à vitesse nulle en transférant des méthodologies déjà validées sur des systèmes électriques. L'exploitation des deux degrés de liberté est illustrée par la synthèse de lois de commande combinant le suivi d'une trajectoire de position du piston au respect d'un second critère variable (réglage de la pressurisation moyenne, optimisation de la consommation instantanée). L'utilisation d'un actionneur électropneumatique asservi comme actionneur à compliance variable est étudiée. Une loi de commande basée sur la transformée A-T est proposée pour contrôler simultanément la position et la raideur pneumatique de l'actionneur. Une méthodologie de réglage des gains de commande est proposée pour définir l'impédance en boucle fermée du système. L'influence de la raideur pneumatique sur la raideur en boucle fermée est étudiée. L'utilisation d'une source d'énergie alternative (de l'hélium sous pression) est également pour la première fois mise en œuvre. L'influence du changement de gaz sur le dimensionnement de l'actionneur électropneumatique est étudiée et une méthodologie permettant d'utiliser les lois de commande prévues pour de l'air est proposée. L'ensemble des propositions faites dans ce manuscrit est testée et validée sur un banc d'essais à la structure inédite. Ce dernier allie deux actionneurs, l'un électropneumatique (l'actionneur étudié) et l'autre, un moteur plat électrique (l'actionneur de charge). L'utilisation de celui-ci permet la génération d'efforts perturbateurs dans une large bande passante ainsi que la modification en temps réel des paramètres mécaniques dynamiques de la charge. / Control of electropneumatic actuator is a subject which has been thoroughly dealt with in the past decades. The strongly non-linear behavior of those systems made them a particularly relevant case study for applications of the non linear control theory. The use of those techniques has been compared to the traditional linear approaches and is generally considered as more efficient in terms of precision and response time. In this work, we specifically deal with the multivariable character of this actuator and we introduce the A-T transformation, similar to the Park Transformation used for electrical systems study, in order to give a strict feedback form to its state model, clarify the physical phenomena occurring during its control and distinguish the system's two degrees of freedom. This transformation allows a comparison with electrical motors described in the Park's frame. This parallel allows to solution the complex problem of zero speed observation of the piston's position by transferring the methodologies which have been previously used on electrical systems. The utilization of the two degrees of freedom is illustrated by the synthesis of control law which combines the piston position trajectory tracking with the respect of a given criterion (which can be the pressurization level or the instantaneous gas consummation optimization). The use of an electropneumatic actuator as a variable stiffness actuator (VSA) is studied. A control law base on the A-T transform is proposed in order to simultaneously control the position and the pneumatic stiffness of the actuator. A control gains tuning strategy is proposed to allow the system closed loop impedance tuning. The influence of the pneumatic stiffness over the closed loop stiffness is studied. An alternative energy source (pressurized helium) is also used for the first time. The influence of the change of gas over the actuator sizing is studied and a methodology allowing using control laws designed for air applications is proposed. Every proposition are tested and validated using an innovative test bench with a unique structure. The latter combines two actuators. One is an electropneumatic actuator (the one studied) and the other one is a linear motor (used as the load actuator). The use of the latter allows disturbance generation in a wide bandwidth and the real-time tuning of the load dynamic characteristics. Finally, the tools developed in this PHD are used in order to validate the implementation of an electropneumatic solution to the thrust vector control problem of a nano scale space launcher. Data provided by the CNES (the French National Space Agency) are used to de ne specific requirements and the flight conditions are reproduced on the test bench to assess the solution quality.

Les pneus sont un organe déterminant dans la tenue de route des véhicules. Cette thèse porte sur la modélisation du contact entre la bande de roulement d'un pneumatique et une route sèche, afin de comprendre les différents phénomènes physiques mis en jeu ainsi que leurs rôles relatifs dans le frottement. La rugosité multi échelle des sols routiers les rendent difficiles à modéliser avec une simulation par élements finis standard. En utilisant l'hypothèse que la gomme de la bande de roulement est très grande devant la taille des rugosités, elle peut être considérée comme un massif semi-infini. Il est alors possible de résoudre efficacement le problème de contact en ne discrétisant que la surface du massif de gomme. Cette résolution est faite à l'aide d'un algorithme de Gradient Conjugué, au cours duquel les calculs matriciels sont effectués par Transformée de Fourier Rapide (FFT). La viscoélasticité de la gomme est prise en compte en régime transitoire. Les interactions à l'interface entre la gomme et le sol sont modélisés par une loi de frottement ainsi que par une énergie d'adhésion. Les résultats montrent le rôle primordial de la viscoélasticité qui, couplée à la rugosité multi-échelle du sol, modifie la surface du contact au cours des différents étapes de mise en glissement d'un pneumatique, faisant ainsi varier le frottement. / Tires are a key component for the handling and safety of personal vehicles. In this thesis a model of the contact between the tire tread and a dry road is described. It aims at understanding the different physical phenomena taking place in such a contact and their relative role in tire friction. Modeling the multiple scales of road roughness is difficult using a standard Finite Element Method. The hypothesis that the rubber of the tire tread is very large compared to the largest scale of surface roughness is made, so that it can be considered as a semi-infinite half-space. This way, the contact problem can be solved by discretizing the rubber surface only. The solver is a specific Conjugate Gradient iterative method, in which the matrix-vector products are performed with Fast Fourier Transforms. Transient viscoelasticity is accounted for with a step-by-step approach. The algorithm is able to model surface interactions such as Coulomb friction and adhesion. Results show the crucial role played by viscoelasticity. Coupled with the road roughness, it changes the contact surface during the different steps of tire sliding, which in turns impacts friction.

Les générateurs diesels sont la principale source d'énergie électrique qui alimente la plupart des régions éloignées et isolées dans le monde. Malheureusement, ces moteurs posent encore d'énormes défis techniques, financiers et environnementaux. Toutefois, la combinaison de ces générateurs avec des sources renouvelables comme l'énergie éolienne dans un système éolien-diesel hybride (WDS) pourrait réduire ces déficits en réduisant la consommation de combustibles fossiles et de la durée de fonctionnement des moteurs diesels et en réduisant le coût de l'exploitation et les émissions nocives. L’intermittence de l'énergie éolienne et sa dissipation pendant les périodes venteuses exigent un système de stockage d'énergie. Dans cette thèse, un nouveau système hybride éolien-diesel avec compression d'air adiabatique et stockage à pression constante (ACP-WDCAS) a été proposé. Ce système combine les technologies de stockage d'énergie hydropneumatiques et les systèmes de stockage de l'énergie sous forme d’air comprimé avec le système éolien-diesel. L'objectif de ce système est d'optimiser les performances des moteurs diesel et de réduire la consommation de carburant sans apporter de modifications majeures à l'architecture de ces moteurs dans les sites isolés. Une simulation numérique, une modélisation mathématique et une analyse des évolutions possibles du système seront de ce fait étudiés. / Diesel generators are the main source of electrical energy that supply most of the remote isolated areas in the world. Unfortunately, these motors still pose enormous technical, financial and environmental challenges. Therefore, the combination of these generators with renewable sources like wind energy in a wind-diesel hybrid system (WDS) could reduce these deficits by reducing the fossil fuel consumption and the operating time of diesel engines and by shortening the operation cost and environmental harm. And because the intermittency of wind energy and its dissipation during windy periods require an energy storage system. In this thesis, a new wind-diesel hybrid system with adiabatic air compression and storage at constant pressure (ACP-WDCAS) was proposed. This concept combine compressed air and hydro pneumatic energy storage technologies with wind-diesel system. The objective of this system is to optimize the performance of diesel engines, and minimize fuel consumption without making major changes to the architecture of these engines in remote sites. A numerical simulation, a mathematical modeling and an analysis of the possible evolutions of the system are studied.

Nous étudions expérimentalement et modélisons les différents régimes d'écoulements granulaires secs dans un tube vertical.<br />Pour des débits de grains élevés et moyens, on observe respectivement un régime de chute libre et un régime d'ondes de densité (succession de zones denses en billes et de régions plus diluées). Un modèle a été développé afin de prédire les relations entre les différents paramètres de l'écoulement (débit, pression, compacité); il démontre notamment le rôle essentiel joué par les interactions entre l'air et les grains. Il est ainsi possible d'estimer les forces de frottement entre les billes et les parois du tube ainsi que les différentes composantes du transport de l'air et des grains.<br />Pour des débits de grains plus faibles, on observe un régime d'écoulement compact intermittent pour lequel pression de l'air et compacité sont fortement corrélées. Un fort effet d'amplification des fluctuations de pression a également été identifié lorsque l'onde de décompaction se propage vers le haut du tube au démarrage de l'écoulement. La modélisation du régime intermittent fait apparaître le rôle primordial des frottements entre les grains et les parois. Pour mieux les comprendre, une étude spécifique a été entreprise pour étudier l'évolution de l'écrantage du poids d'une colonne de grains en mouvement relatif par rapport aux parois (modèle de Janssen). Cette étude a montré que ce modèle reste valable sur une large gamme de vitesses. Par ailleurs, le mouvement des parois provoque un réajustement des distributions des forces dans la colonne, qui atteint un état d'équilibre dynamique stationnaire très reproductible. Dans toutes ces expériences, l'influence de l'humidité a également été étudiée et une forte variation de l'interaction grains/parois a été mise en évidence.

Le bruit de contact pneumatique/chaussée joue un rôle important dans la nuisance sonore du trafic routier. Il est généré par des mécanismes complexes influencés par plusieurs paramètres tels que la texture de chaussée, la géométrie du contact et les caractéristiques du pneumatique. Le travail présenté dans ce mémoire concerne l'étude numérique du contact pneumatique/chaussée pour la prévision du bruit en s'intéressant plus particulièrement à l'influence de la texture de chaussée. Le problème de contact est résolu à l'aide d'une Méthode Itérative à Deux Échelles (MIDE) basée sur une approche multi-aspérités de la surface de chaussée. Le pneumatique est modélisé par un massif semi-infini viscoélastique et caractérisé par des modèles rhéologiques standards (Zener ou Maxwell généralisé). Pour appliquer la MIDE au contact pneumatique/chaussée, un partitionnement de chaussée est développé permettant une description globale à partir de lois de contact sur chaque aspérité. En la comparant à des méthodes classiques, la MIDE donne des résultats identiques avec un temps de calcul largement réduit. Elle permet donc d'étudier le problème de contact sur une zone de plusieurs mètres. L'introduction de la viscoélasticité du pneu entraine une diminution de l'aire de contact identique quelle que soit la vitesse du véhicule, conformément aux résultats expérimentaux. L'introduction de la vibration du pneumatique dans le modèle de contact influence l'aire de contact apparente et le niveau des forces de contact, mais les résultats montrent la nécessité d'une validation expérimentale des effets dynamiques sur le contact pneumatique/chaussée. Enfin, les paramètres de contact permettent d'obtenir rapidement une approximation du niveau de bruit global à basses fréquences (315 - 1 000 Hz). Les forces de contact obtenues en utilisant la MIDE élastique sont très fortement corrélées avec le bruit mesuré jusqu'à 1 000 Hz pour deux configurations de pneumatique (lisse et standard). Ainsi une méthode hybride statistique est développée pour estimer le bruit de roulement à basses fréquences, donnant des résultats convaincants.

Ce travail présente une étude théorique et expérimentale portant sur le concept de Moteur Hybride Pneumatique ( MHP). En première approche, un modèle 0D d’un MHP monocylindre, incluant un sous-modèle cinématique original pour l’actuateur entièrement variable muant la soupape de charge, est présenté puis exploité. La modélisation 1D de la dynamique des gaz dans chaque tubulure est traitée, incluant différents modèles de Condition Limite de Soupape (CLS), basées sur la méthode des caractéristiques et issues de la littérature. Il est montré que ces CLS ne sont pas adaptées à la modélisation d’un MHP : existence de chocs numériques, problème de non-convergence et mise en défaut face à des relevés expérimentaux. Un modèle original de CLS, évitant ces problèmes et demeurant basé sur la méthode des caractéristiques, est alors développé puis validé expérimentalement à la foi sur bancs d’essais moteurs et de dynamique des gaz à la soupape. Une étude expérimentale des échanges de chaleur convectifs, en mode pneumatique et sans combustion, est conduite et débouche alors sur une modification nécessaire de la corrélation standard de Woschni, afin de correctement décrire l’extinction du mouvement de tumble en fin de course de compression. Une exploitation de la plate-forme de simulation 1D de MHP monocylindre, incluant l’ensemble des éléments développés, est finalement conduite afin de déterminer les phasages optimums d’ouverture et de fermeture de la soupape de charge, pour différents mode et conditions opératoires. Cette étude, nécessaire à de futures simulations de cycles routier, confirme d’une part, la viabilité du concept et d’autre part, montre l’importance que revêt la prise en compte de la cinématique de l’actuateur soupape et de la dynamique des gaz dans la tubulure de charge. / This work presents an experimental and theoretical study on the concept of Pneumatic Hybrid Engine (PHE). In a first approach, a 0D model of a single cylinder PHE, including an original kinematic sub-model of the fully variable actuator that moves the charging valve, is presented and exploited. Then, the 1D modelling of the gaz dynamics inside each pipes is treated, including several valve boundary conditions (VBC), based on the method of characteristics and issued from literature. It is shown that these VBC are not suitable for a PHE modelling : numerical shocks, non-convergence and contraticted when compared to measurements. An original VBC, avoiding these problems and still based on the method of characteristics, is then developed and experimentally validated on both engine and valve gas dynamics tests benches. An experimental study on the convective heat transfer, in pneumatic mode without combustion, is conducted and leads to a necessary modification of the standard Woschni correlation in order to correctly describe the decay of the tumble motion near the end of the compression stroke. The 1D simulation platform, including all components developed, has finally been conducted in order to determine the optimum timings for the charging valve opening and closing, for different modes and operating conditions. This study, necessary for future driving cycle simulations, first confirms the viability of the PHE concept and second, shows the importance of taking into account the kinematic capability of the charing valve actuator and the gas dynamics inside the charging pipe.