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Ces travaux s’inscrivent dans le cadre du projet EDIT(Efficient Distribution Truck, FUI19), piloté par le groupe Volvo Trucks, dont l’objectif de réduction de consommation pour 2020 est fixé à 13% par rapport à un véhicule actuel EURO-6. Le projet EDIT porte sur cinq axes techniques d’amélioration dont un consiste en l’obtention d’un système optimisé de transmission par courroie poly-V au regard des pertes de puissance. Actuellement les faces avant de moteur sont perfectionnées sur le plan mécanique ; cela signifie que la durée de vie de ses composants est optimisée, et que les nuisances vibratoires sont réduites. Par contre, des améliorations peuvent être apportées sur le plan énergétique. Cette thèse, qui a pour objectif d’investiguer les possibilités de réduction et d’optimisation des pertes de puissance sur les façades accessoires, se décline en trois parties : une caractérisation par l’analyse mécanique dynamique des matériaux viscoélastiques des courroies poly-V et des composantes de façade ; une modélisation, une optimisation et une implémentation logicielle des modèles de pertes de puissance ; validées par une dernière partie expérimentale sur banc d’essais. Les pertes de puissances dans une face avant moteur sont de plusieurs types : des pertes internes à la courroie poly-V (hystérésis du caoutchouc), des pertes externes à la courroie (glissement poulie/courroie) et des pertes internes aux composants (frottement dans les roulements). Ces pertes peuvent désormais être quantifiées et optimisées grâce aux modèles développés durant cette thèse. Ces modèles ont été validés et implémentés dans un outil de simulation (PLFead, Power Loss Front engine accessory drive), qui a été développé pour optimiser les pertes de puissance en tenant compte des paramètres de design et de fonctionnement des faces avant moteur. / This work is a part of the Efficient Distribution Truck (EDIT, FUI 19) project, led by Volvo Trucks, whose objective is to reduce distribution vehicles’ fuel consumption for 2020 by 13% when compared with the current production vehicle EURO-6. The EDIT project targets five areas of research and technical solutions, one of which consists of obtaining an optimized poly-V belt transmission concerning the power losses. In terms of lifetime of the mechanical components, reduction of noise and vibrations, the Front Engine Accessory Drives (FEADs) are currently one of the most technologically sophisticated systems. However, further improvements can be made to make the vehicles more energy efficient. This thesis, which aims at investigating possibilities for reducing and optimizing the power losses in the FEADs, is composed of three main parts: the characterization of the viscoelastic materials of the poly-V belts via Dynamic Mechanical Analysis (DMA) and the FEAD components; the modeling, the optimization and the implementation of the power loss models in a simulation tool; and their experimental validation through a test bench. The power losses occurring in a FEAD are of several types: poly-V internal losses (hysteresis of the belt-rubber), poly-V external losses (belt/pulley slip) and losses from the accessory drives (friction inside the bearings). These power losses can be quantified and optimized thanks to the models developed throughout this thesis. These models have been validated and implemented in a simulation tool (PLFead, Power Loss Front engine accessory drive), which has been developed to optimize the power losses taking into consideration the design parameters and operating conditions of the FEAD.

abstract: The smart grid initiative is the impetus behind changes that are expected to culminate into an enhanced distribution system with the communication and control infrastructure to support advanced distribution system applications and resources such as distributed generation, energy storage systems, and price responsive loads. This research proposes a distribution-class analog of the transmission LMP (DLMP) as an enabler of the advanced applications of the enhanced distribution system. The DLMP is envisioned as a control signal that can incentivize distribution system resources to behave optimally in a manner that benefits economic efficiency and system reliability and that can optimally couple the transmission and the distribution systems. The DLMP is calculated from a two-stage optimization problem; a transmission system OPF and a distribution system OPF. An iterative framework that ensures accurate representation of the distribution system's price sensitive resources for the transmission system problem and vice versa is developed and its convergence problem is discussed. As part of the DLMP calculation framework, a DCOPF formulation that endogenously captures the effect of real power losses is discussed. The formulation uses piecewise linear functions to approximate losses. This thesis explores, with theoretical proofs, the breakdown of the loss approximation technique when non-positive DLMPs/LMPs occur and discusses a mixed integer linear programming formulation that corrects the breakdown. The DLMP is numerically illustrated in traditional and enhanced distribution systems and its superiority to contemporary pricing mechanisms is demonstrated using price responsive loads. Results show that the impact of the inaccuracy of contemporary pricing schemes becomes significant as flexible resources increase. At high elasticity, aggregate load consumption deviated from the optimal consumption by up to about 45 percent when using a flat or time-of-use rate. Individual load consumption deviated by up to 25 percent when using a real-time price. The superiority of the DLMP is more pronounced when important distribution network conditions are not reflected by contemporary prices. The individual load consumption incentivized by the real-time price deviated by up to 90 percent from the optimal consumption in a congested distribution network. While the DLMP internalizes congestion management, the consumption incentivized by the real-time price caused overloads. / Dissertation/Thesis / M.S. Electrical Engineering 2013

Water distribution systems, electrical power transmission systems, and other civil infrastructure systems are essential to the smooth and stable operation of regional economies. Since the functions of such infrastructure systems often are inter-dependent, the systems sometimes suffer unforeseen functional disruptions. For example, the widespread power outage due to the malfunction of an electric power substation, which occurred in the northeastern United States and parts of Canada in August 2003, interrupted the supply of water to several communities, leading to inconvenience and economic losses. The sequence of such failures leading to widespread outages is referred to as a cascading failure. Assessing the vulnerability of communities to natural and man-made hazards should take the possibility of such failures into account. In seismic risk assessment, the risk to a facility or a building is generally specified by one of two basic approaches: through a probabilistic seismic hazard analysis (PSHA) and a stipulated scenario earthquake (SE). A PSHA has been widely accepted as a basis for design and evaluation of individual buildings, bridges and other facilities. However, the vulnerability assessment of distributed infrastructure facilities requires a model of spatial intensity of earthquake ground motion. Since the ground motions from a PSHA represent an aggregation of earthquakes, they cannot model the spatial variation in intensity. On the other hand, when a SE-based analysis is used, the spatial correlation of seismic intensities must be properly evaluated. This study presents a new methodology for evaluating the functionality of an infrastructure system situated in a region of moderate seismicity considering functional interactions among the systems in the network, cascading failure, and spatial correlation of ground motion. The functional interactions among facilities in the systems are modeled by fault trees, and the impact of cascading failures on serviceability of a networked system is computed by a procedure from the field of operations research known as a shortest path algorithm. The upper and lower bound solutions to spatial correlation of seismic intensities over a region are obtained.

Les engrenages roues et vis sans fin sont une solution avantageuse pour transmettre le couple entre des axes perpendiculaires non concourants. Ces engrenages offrent une solution simple et efficace en terme de coût dans les applications de transmission de puissance, où un grand rapport de réduction est nécessaire, en comparaison avec les engrenages classiques à axes parallèles qui nécessitent normalement deux ou trois étapes pour obtenir les mêmes réductions avec une augmentation conséquente de complexité et du nombre de pièces. L’usure de surface est un des modes de défaillance observés dans la vie des engrenages roues et vis sans fin qui influe sur la portée de contact, les caractéristiques de transmission et le bruit résultant. La première étape de ces travaux est la mise au point d’un modèle numérique pour étudier le comportement quasi statique des engrenages roues et vis sans fin avec une roue en bronze et une vis en acier. Le modèle est basé sur la résolution des équations de compatibilité des déplacements ainsi que sur la méthode des coefficients d’influence. Les effets globaux de flexion et les effets locaux de contact ont été séparés. Les effets de contact ont été obtenus par la théorie de Boussinesq. Les coefficients de flexion sont estimés par la combinaison d’un calcul Éléments Finis et des fonctions d’interpolation, permettant d’une part de prendre en compte l’environnement de l'engrenage (la géométrie des arbres, des jantes et des voiles, l’emplacement des roulements,...) et d’autre part de réduire significativement les temps de calculs. Dans une seconde étape, une méthodologie est proposée pour modéliser l’usure de la surface de dent de la roue. Le modèle de contact quasi-statique de la répartition des charges est combiné avec un modèle d’usure d’Archard. Ce modèle suppose que la profondeur d’usure est directement proportionnelle à la pression de contact et à la distance de glissement et inversement proportionnelle à la dureté du matériau. Cette loi d’usure est modifiée pour prendre en compte l’influence des conditions de lubrification en utilisant un coefficient d’usure local, dépendant de l’épaisseur du film lubrifiant, rapportée à l’amplitude des rugosités des surfaces. L’enlèvement de matière par l’usure du flanc de la roue influe sur la répartition des pressions et donc les modifications de la géométrie des dents doivent être incluses dans la prédiction de l’usure. Le calcul des pressions de contact est ainsi mis à jour pour tenir compte des changements de géométrie. Enfin, pour valider le modèle développé des comparaisons du modèle avec des résultats expérimentaux issus de la bibliographie ont été effectuées. / Worm gears are one of the technical devices for transmitting torque between spatial crossed axes. They provide a simple and cost effective solution in power transmission applications, where a high reduction ratio is required. Comparable conventional parallel axis gearing would normally require two or three stages to achieve the same reduction, with a consequent increase in complexity and number of parts. Surface wear is one of the failure modes observed in life worm gear sets which affects the contact patterns, the other transmission characteristics and the resultant noise. The first step of this work is the development of a numerical model to study provide the quasi-static behavior of worm gears with bronze wheel and steel worm. The model is based on solving of the equation of displacement compatibility and the influence coefficient method. The global effects of bending and local effects of contact are separated. The contact effects are obtained with the theory of Boussinesq. Bending effects are estimated by the combination of one standard FEM computation and interpolation functions. These methods allow, on the one hand, to take into account the environment of the gear (shaft shape, rim, web, bearing location ...) and on the other to reduce significantly the computation time. In a second step, a methodology is proposed for predicting the wear of the wheel tooth surface. In this process, a quasi-static contact model of the load distribution is combined with Archard's wear model. This model assumes that the wear depth is directly proportional to the contact pressure and sliding distance and inversely proportional to the hardness of the material. The wear law is modified to take into account the influence of the lubrication conditions using a local wear coefficient, depending on the lubricant film thickness, relative to the amplitude of surface roughness. Removal of material by wear on the wheel flank affects the pressure distribution, therefore the changes in teeth must be included in the prediction of wear. The calculation of contact pressures must also be updated to take into account the modification of the gear flank geometry. The last step concerns the validation of the numerical. Comparisons have been carried out between the model results and experimental ones issued from the bibliography.

Une des voies d’amélioration des véhicules hybrides et électriques est l’utilisation de moteurs tournant plus vite, jusqu’à plus de 42.000tr/min. Le but est d’augmenter la densité de puissance et le rendement des groupes motopropulseurs. Pour utiliser ces moteurs de nouveaux réducteurs mécaniques doivent être développés. Cela doit se faire sans générer de surcoût important face aux solutions utilisées à basse vitesse et en assurant un niveau de performance énergétique élevé. Cette thèse se situe en amont de la phase de conception d’un réducteur haute vitesse lubrifié par barbotage. Elle a pour but d’identifier les problèmes d’échauffement et de pertes de puissance ainsi que de proposer des pistes d’amélioration énergétique. Ce travaille propose la modélisation thermomécanique de l’étage grande vitesse (GV) du réducteur, réalisée à l’aide de la méthode des réseaux thermiques. Ce modèle couple les pertes de puissance avec les températures. Une attention particulière est portée sur la modélisation des roulements de l’arbre GV. Un nouveau modèle thermomécanique de roulement est développé. Les pertes par barbotage deviennent importantes à grande vitesse. Une méthode permettant de fortement les réduire est caractérisée. / A way to improve both electric and hybrid vehicles is to use high speed motors, operating over than 42.000rpm. The goal is to increase the power density and the efficiency of powertrains. Using these new motors, new gearboxes should be developed. This must be done without generating significant additional cost regarding already mastered low speed solutions. High energy performance level also has to be maintained. This PhD comes before the design phase of a high-speed oil bath lubricated gearbox. It aims to identify the warm-up and power loss problems, and propose ways to improve efficiency. This work proposes a thermomechanical modelling of the gearbox’s first stage, using the thermal network method. This model links power losses with temperatures. Particular attention is paid to high speed bearing modelling. A new thermomechanical model of rolling element bearing is developed. As churning losses being significant at high speeds, a method to greatly reduce this power loss is characterized.