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.

La boite de vitesses est un des principaux organes d’une automobile et son développement est complexe. De nombreuses contraintes doivent être prises en compte et notamment son comportement acoustique et vibratoire. Cet aspect de la conception est de nos jours assez mal maitrisé et les nuisances acoustiques des boites de vitesses, telle que le bruit de grenaille, sont bien souvent découvertes tardivement. L’objectif de ces travaux était le développement d’un modèle numérique de dynamique des engrenages applicable aux boites de vitesses et permettant de prédire les conditions d’apparition du bruit de grenaille. La modélisation proposée dans cette thèse repose sur une association originale de différentes modélisations et est applicable à la grande majorité des boites de vitesses. Les éléments flexibles tels que les arbres et les carters sont modélisés par la méthode des éléments-finis. Un modèle d’engrenage basé sur le modèle de contact de Kelvin-Voigt est développé. Ce dernier permet la prise en compte des pertes de contact et des chocs sur les flancs avants et arrières. Pour compléter la modélisation, des modèles de pertes mécaniques sont implémentés afin de prendre en compte l’influence des roulements, des paliers lisses, des synchroniseurs et du barbotage des pignons dans l’huile. Le modèle développé, couplé à un indicateur de bruit de grenaille, permet de réaliser des études de sensibilités afin d’identifier les paramètres influents sur le bruit de grenaille mais aussi de comparer les comportements vibratoires de différentes configurations. Pour finir, une campagne d’essais sur une boite de vitesse industrielle est réalisée et des résultats de simulations lui sont confrontés. / The gearbox is an important component of an automobile and its development is complex. Numerous constraints must be taken into account, particularly its noise and vibration behavior. This aspect of the conception is nowadays poorly mastered and the noise pollution of gearboxes, such as the rattle noise, are often discovered late. The aim of this work was the development of a numerical model of gear dynamics adapted to gearboxes’ modelling and allowing to predict the conditions of gear rattle noise appearance. The model proposed in this thesis is based on an original combination of different models and is applicable to the vast majority of gearboxes. Flexible components, such as shafts and housings are modeled by the finite element method. A gear model based on Kelvin-Voigt contact model is developed. It allows to take into account the contact losses and the back side contacts. To complete this model, mechanical loss models are implemented in order to take into account the influence of the bearings, plain bearings, synchronizers and gears’ immersion in oil. This model coupled with a noise indicator allows for sensitivity analyzes to identify influential parameters on the rattle noise but also to compare the dynamic behavior of different configurations. Finally, a test campaign on an industrial gerbox is conducted and simulation results are confronted to measurements.

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.

Les couples d'engrenages présents dans les boîtes de vitesses automobiles sont une source de bruit importante à prendre en compte et à maîtriser. L'acyclisme du moteur observable en entrée de boîte a notamment pour conséquence de provoquer des impacts entre les dents des engrenages non chargés, à l'origine du bruit de grenaille. Ce travail de thèse s'intéresse aux cas de grenaille dits périodiques, dont l'apparition et la sévérité dépendent, entre autres, des conditions de fonctionnement régime/charge. Pour détecter la présence et quantifier la sévérité de ce bruit, il est nécessaire de construire des indicateurs pertinents et dédiés, où il est particulièrement intéressant de conserver la dualité des informations temporelles (relatives aux voies de transfert des phénomènes vibratoires) et angulaires (relatives aux cycles de la machine) mesurées sur des boîtes en montée de régime. Une extension de l'approche cyclostationnaire classique est ainsi exploitée et la cohérence spectrale ordre/fréquence est utilisée afin de définir un indicateur de sévérité du bruit de grenaille. Deux campagnes d'essais ont été réalisées afin de valider la pertinence de cet indicateur, utilisant un banc d'essais qui permet d'imposer des montées en régime et de générer un acyclisme. Dans la première campagne d'essais, un pignon fou est instrumenté à l'aide d’un codeur optique afin de mesurer la vitesse relative pignon fou/pignon menant qui est utilisée comme référence pour détecter l'apparition des impacts. La comparaison avec l'indicateur proposé, calculé à partir du signal vibratoire d'un accéléromètre positionné sur le carter de boîte, démontre sa capacité à détecter effectivement des chocs. Des sessions d'écoute ont été organisées afin de comparer le ressenti d'auditeurs qualifiés pour faire des évaluations subjectives à l'évolution des valeurs données par l’indicateur, à partir d'une seconde campagne d'essais. Cet indicateur apparaît représentatif du ressenti des auditeurs. Une fois la grenaille détectée et quantifiée globalement en intensité, il est intéressant d'extraire sa composante du signal global mesuré. Pour cela, une extension du filtre de Wiener cyclique pour des signaux cyclostationnaires angle/temps est proposée. Le signal extrait étant supposé être généré uniquement par les impacts produisant le bruit de grenaille, les impulsions extraites sont exploitées afin d'estimer la fonction de transfert entre les points d'excitation et le capteur localisé sur le carter de boîte. Cette fonction de transfert est comparée à celle obtenue par une seconde méthode, également développée dans le cadre de cette thèse, qui consiste en une extraction de la partie déterministe de l'excitation à l'aide d'un filtre en peigne dans le domaine des ordres, puis en une identification aveugle de la réponse impulsionnelle dans le domaine cepstral. / The improvement of the engine noise emissions causes the emergence of new sources which were previously masked, like gearbox noises. Because of the engine acyclism some impacts can appear between the teeth of unloaded gears. Those impacts generate the so called rattle noise which is a current problem for car manufacturers. This work is focused on periodic cases of rattle noise. Their appearance and their level depend on operating conditions. In order to propose a specific detection indicator it is particularly useful to exploit the angle/time duality from measures in non-stationary conditions: the angle domain is linked to the periodicity of the impacts while the time domain is linked to their nature. An extension of the cyclostationary approach is thus exploited and the order/frequency spectral coherence is used to define a severity indicator of rattle noise. The validation of this indicator is obtained from measurements. For a first level of validation, a loose gear has been instrumented with an optical encoder in order to measure the relative velocity between this loose gear and the driving gear. The comparison with the proposed indicator shows its ability to effectively detect the impacts. For a second level of validation some listening sessions have been organized. The evolution of values of our indicator appears in accordance with the feeling of the listeners. After the detection of rattle noise it is interesting to extract its contribution from the measured signal. An extension of the cyclic Wiener filter is thus proposed for angle/time cyclostationary sources. The extracted signal being supposed only produced by impacts, the extracted impulses are then exploited in order to estimate a transfer function. This transfer function is compared with the other one obtained by a second method, also developed in this work. This method exploits the non-stationary regime and proposes a blind identification with cepstrum.