This PhD thesis deals with the experimental study of more precise rolling contact fatigue damage detection using acoustic emission method. A series of experiments was carried out on two representatives bearing steels and the analysis of sensitivity for the presence of contact damage was performed on selected parameters of acoustic emission. The extent of damage was classified into four classes and signal parameters the most characterizing the development of damage were correlated with the extent of damage. It was also verified the influence of lubricants on acoustic emission signals. The results have an impact on the implementation of more precise rolling contact fatigue tests and evaluation of parameters of acoustic emission signal. On the basis of experiments was established methodology for more precise RCF testing method using acoustic emission on test-rig AXMAT II.

Linear-motion compliant mechanisms have generally been developed for small displacement applications. The objective of the thesis is to provide a basis for improved large-displacement linear-motion compliant mechanisms (LLCMs). One of the challenges in developing large-displacement compliant mechanisms is the apparent performance tradeoff between displacement and off-axis stiffness. In order to facilitate the evaluation, comparison, and optimization of the performance of LLCMs, this work formulates and presents a set of metrics that evaluates displacement and off-axis stiffness. The metrics are non-dimensionalized and consist of the relevant characteristics that describe mechanism displacement, off-axis stiffness, actuation force, and size. Displacement is normalized by the footprint of the device. Transverse stiffness is normalized by a new performance characteristic called virtual axial stiffness. Torsional stiffness is normalized by a performance characteristic called the characteristic torque. Because large-displacement compliant mechanisms are often characterized by non-constant axial and off-axis stiffnesses, these normalized stiffness metrics are formulated to account for the variation of both axial and off-axis stiffness over the range of displacement. In pursuit of mechanisms with higher performance, this work also investigates the development of a new compliant mechanism element. It presents a pseudo-rigid-body model (PRBM) for rolling-contact compliant beams (RCC beams), a compliant element used in the RCC suspension. The loading conditions and boundary conditions for RCC beams can be simplified to an equivalent cantilever beam that has the same force-deflection characteristics as the RCC beam. Building on the PRBM for cantilever beams, this paper defines a model for the force-deflection relationship for RCC beams. Included in the definition of the RCC PRBM are the pseudo-rigid-body model parameters that determine the shape of the beam, the length of the corresponding pseudo-rigid-body links and the stiffness of the equivalent torsional spring. The behavior of the RCC beam is parameterized in terms of a single parameter defined as clearance, or the distance between the contact surfaces. The RCC beams exhibit a unique force-displacement curve where the force is inversely proportional to the clearance squared. The RCC suspension is modeled using the newly defined PRBM. The suspension exhibits unique performance, generating no resistance to axial motion while providing significant off-axis stiffness. The mechanism has a large range of travel and operates with frictionless motion due to the rolling-contact beams. In addition to functioning as a stand-alone linear-motion mechanism, the RCC suspension can be configured with other linear mechanisms in superposition to improve the off-axis stiffness of other mechanisms without affecting their axial resistance.

Nondestructive evaluation techniques were employed to fully characterize three 2.3L camshafts tested in an engine simulator for an equivalent of 100,000 miles. Optical microscopy, acoustic microscopy (SAM), and profilometry were used to characterize wear and fatigue, crack depth, and surface roughness, respectively. Results show cracking to occur mainly in the opening ramp of the most abusively ground cam lobes. No clear evidence was found for subsurface cracking at depths as great as 200 μm from the lobe's surface. Profilometry results show no evidence of any major tribological effect due to the sliding friction of the follower. Fractography studies show a difference between fracture surfaces among the cracks examined; straight cracks exhibit features resembling fatigue propagation, while fracture surfaces from pitted cracks show a more brittle behavior. Small grinding cracks (approximately 300 μm in length) were found in the opening ramps of the most abusively ground lobes prior to testing. Knoop and Nanoindenter microhardness indicate a near-surface rehardening for the most abusively ground lobe (confirmed by metallography), and temper burn for the remaining lobes. X-ray residual stress results made in the opening ramp of the tested lobes show evidence of residual stress relaxation. X-ray line width data as a function of depth does not correlate with residual stress. / Master of Science

Le 32CrMoV13 nitruré est un matériau à gradient de propriétés utilisé pour la réalisation de bagues de roulements aéronautiques. Il présente l’avantage d’être dur en surface et ductile à cœur, facilitant ainsi la lutte contre les effets de la pollution des contacts par les lubrifiants. De plus, afin d’améliorer les performances des roulements, la tendance est à l’utilisation de céramique (nitrure de silicium Si3N4) pour les éléments roulants à la place de l’acier (M50). Ainsi, le travail de thèse proposé ici est l’étude du comportement en fatigue de contact en présence d’indentations pour deux couples de matériaux (32CrMoV13 nitruré / M50 et 32CrMoV13 nitruré / Si3N4). Ce comportement est principalement orienté en terme de durée de vie du contact indenté par l’intermédiaire d’un critère d’amorçage de fissures. Une étude des propriétés mécaniques du 32CrMoV13 nitruré, nécessaires à l’application du critère, a été réalisée. La loi d’écrouissage et l’ouverture micro-plastique cyclique de la couche nitrurée du 32CrMoV13 nitruré ont été identifiées. Puis, par l’intermédiaire de défauts géométrique de type trous cylindriques, les propriétés d’amorçage de fissures ont été étudiées lors d’essais de compression uniaxiale. Le comportement en fatigue de contact en présence d’indentations a été étudié sur machine bi-disques. Ces essais ont permis de caractériser la différence de comportement du 32CrMoV13 nitruré, et indenté, dans un contact acier / acier et acier / céramique. L’effet du glissement a notamment été mis en évidence. Ces études expérimentales ont été couplées avec des simulations numériques afin d’étalonner le modèle physique d’amorçage de fissures et d’en valider sa bonne représentativité. En conclusion un modèle de prédiction de durée de vie en fatigue de roulement a été proposé. Il est particulièrement adapté aux cas où des contraintes résiduelles sont présentes, par exemple suite à l’indentation des surfaces. Le modèle s’appuie sur la caractérisation mécanique des couches traitées thermo-chimiquement de l’acier 32CrMoV13 nitruré. / The nitrided 32CrMoV13 steel is a gradient properties material used for the production of aeronautical bearing rings. The principal advantages are its surface hardness and core ductility, useful against debris denting. Moreover, to improve rolling bearing performances, ceramic balls (silicon nitride Si3N4) instead of steel (M50). The present study aims to investigate the contact fatigue performance in presence of indentation for two pairs of materials (nitrided 32CrMoV13 steel / M50 and nitrided 32CrMoV13 steel / Si3N4). This performance is mainly oriented in terms of lifetime of the indented contact by a crack initiation criterion. A study of the mechanicals properties of the nitrided 32CrMoV13 steel, required for the application of the criterion, is then performed. It allows to characterize the hardening law and the cyclic micro-plastic behavior of the nitrided layer of the nitrided 32CrMoV13 steel. Crack initiation properties of the nitrided surface layer have been evaluated by compression tests on thin hollow cylindrical specimens with small cylindrical holes. The contact fatigue behavior in presence of indentations was studied on a high-speed twin-disks machine. These tests allowed to characterize the difference in behavior of nitrided 32CrMoV13 steel (indented) in a steel-to-steel contact or steel-to-ceramic contact. The major effect of sliding has been highlighted. All these experimental studies were coupled with numerical simulations to calibrate the physical model of crack initiation and to show its capabilities. In conclusion a new model of rolling contact fatigue life has been proposed. It is specifically adapted to operation in presence of residual stresses such as resulting from debris denting. The model uses mechanical properties that have been identified for thermo-chemically treated layers of nitrided 32CrMoV13 steel.

High rolling contact fatigue parts are vital for the long service life of fuel pumps. Cummins Fuel Systems are currently using an M2 tool steel for one of the most important roller bearing application in their pumps, namely the cam follower. The future design of the cam follower is a pin-less tappet roller. The wear and fatigue properties of the roller is vital to ensure reliability of the fuel system. M2 tool steel is an expensive material and becomes even more so if diamond like coating (DLC) is needed to decrease the friction coefficients. To cut costs of the fuel pump it might be possible to replace the M2 tool steel with 52100 steel (100Cr6). Competitive methods have proven that carbonitrided 52100 can reach excellent wear and fatigue properties making it a candidate to replace M2 tool steel. How the properties of hardness, toughness and compressive residual stresses are developed in 52100 and how they affect the fatigue and wear resistance has been researched from the literature. A big part of this project was to do an extensive analysis of a roller bearing that was believed to have gone through one of these competitive methods that produce excellent wear and fatigue resistance. The analysis was done with background to the knowledge gathered from the literature. Finally process trials were set up to carbonitride 52100 steel samples. The trials were done to develop a better understanding of how adding carbon together with nitrogen to the surface of 52100 steel will influence the metallurgical parameters that results in good wear and fatigue resistance. From this analysis Cummins hope to create a process recipe that can be used for carbonitriding the cam follower and maybe other components in their fuel systems.

Le galetage est une opération de finition et de traitement mécanique de surface, particulièrement utilisée dans le secteur du décolletage. Afin de valoriser pleinement l'opération, les industriels ont besoin d'estimer les caractéristiques des pièces traitées; il s'agit de la rugosité, de la dureté superficielle et de la distribution des contraintes résiduelles. Pour répondre à cette problématique, différentes modélisations ont été construites par le passé. Les deux plus abouties s'appuient principalement sur l'hypothèse d'équivalence entre la sollicitation de galetage et la sollicitation d'indentation. Dans ce rapport, une nouvelle approche de la modélisation de l'opération de galetage est proposée. Elle repose sur une étude fine des phénomènes physiques mis en jeu par la sollicitation de galetage. Dans un premier temps, le problème mécanique posé par la modélisation de l'opération de galetage est résolu sous l'hypothèse de comportement purement élastique. Dans ce cas, l'équivalence entre la sollicitation de galetage et la sollicitation d'indentation est bien re-démontrée. Dans un second temps, l'effet de la plasticité sur cette équivalence est étudié. Un phénomène de formation et écoulement de bourrelet, particulièrement influent sur la sollicitation de galetage, est alors mis en évidence. Ce constat invalide totalement l'hypothèse d'équivalence galetage - indentation formulée précédemment. Ainsi, il est démontré que pour modéliser fidèlement les phénomènes induits par l'opération, il est indispensable de considérer le contact roulant libre du galet sur un solide en trois dimensions. En tirant partie de cette étude, une nouvelle méthode de modélisation de l'opération de galetage par la technique des Éléments Finis est alors proposée. Une attention particulière est portée sur la définition d'une méthode de caractérisation mécanique préalable du matériau, notamment adaptée à la problématique par l'utilisation d'un essai de compression spécifique. En ce qui concerne l'état géométrique de la surface, les résultats numériques sont en bon accord avec les mesures expérimentales. De plus, pour les grandeurs mécaniques (dureté superficielle et contraintes résiduelles), une correspondance qualitative est obtenue. Finalement, il apparaît que ce modèle apporte une contribution notable à la compréhension de l'opération, ouvrant la voie à une modélisation plus fidèle. / Roller burnishing is a cost effective surface enhancement process. To value this process, industry needs a tool to estimate the roughness, the hardness and the residual stress distribution of a burnished workpiece. To achieve this goal, different models have been built in the past. The two most comprehensive are based on the hypothesis of equivalence between normal contact and rolling contact. In this study, a new approach of the modeling of roller burnishing is proposed. For this, physical phenomena that occur around the contact area have been precisely studied. Firstly, the mechanical problem that is posed is solved analytically assuming a perfectly elastic behavior. In this case, equivalence between normal contact and rolling contact is proved. Secondly, the effect of plasticity on that result is studied. A phenomenon of accumulation and flow of material, which effect appears to be particularly important on the mechanical and geometrical characteristics of the burnished surface is highlighted. This observation imposes to reject the hypothesis of equivalence between normal contact and rolling contact. Consequently, it is conclude that any model can't be reliable until it considers the rolling contact of the roller on the workpiece. On this basis, a new finite element model of roller burnishing is established. Finally, numerical results are compared to experimental measurements. Concerning geometrical state, a quantitatively good correlation is observed while a qualitatively agreement is obtained for the two mechanical indicators. It can be concluded that this new EF model give a better understanding of the mechanics of roller burnishing process and will give the opportunity to improve parameters process or to adapt parameters according to the wished mechanical and geometrical characteristics of the workpiece.

Les enjeux environnementaux actuels, ainsi que la hausse continue du prix du pétrole, ont incité les constructeurs automobiles du monde entier à améliorer le rendement de leurs véhicules. Les propriétés tribologiques des lubrifiants des moteurs et boîtes de vitesses ont une influence considérable sur le rendement global des véhicules. Ils réduisent en effet le frottement généré par un grand nombre de contacts, et permettent parfois la réduction de la taille de différents composants en leur conférant une meilleure résistance à l’usure. Les avancées récentes en termes de synthèse de nanoparticules ont ouvert de nouvelles perspectives en termes d’additivation de lubrifiants avec, par exemple, la découverte des excellentes propriétés tribologiques des nanoparticules inorganiques de type fullerène comme le disulfure de molybdène ou de tungstène. L’objectif de ce manuscrit est d’évaluer le potentiel tribologique des nanoparticules IF-MoS2 dans l’optique d’une application automobile. L’influence de la taille et de la structure des nanoparticules a d’abord été étudiée. Les nanoparticules peu cristallines se sont révélées être plus aptes à maintenir un tribofilm performant sur des surfaces en acier dans des conditions de lubrification limite, indépendamment de leur taille. Toutes les nanoparticules testées ont cependant atteint des performances équivalentes lorsqu’une recirculation de l’huile était imposée, permettant de maintenir une alimentation continue du contact en nanoparticules. Une fois incorporées dans une formulation d’huile complète, les nanoparticules IF-MoS2 perdent leurs propriétés tribologiques. Les dispersants contenus dans l’huile, bien que permettant une bonne dispersion des IF-MoS2, semblent responsables de leur inefficacité en empêchant la formation de tribofilms sur les surfaces antagonistes. Une fois correctement dispersées, les nanoparticules pénètrent toujours le contact et se retrouvent bien exfoliées. Une adsorption excessive des dispersants sur les feuillets de MoS2 ainsi libérés et/ou sur les surfaces en acier semble nuire à l’adhésion du tribofilm. Un équilibre entre dispersion des nanoparticules et performance tribologique a ensuite été trouvé, en utilisant de très faibles concentrations de dispersants. Le comportement des huiles dopées en nanoparticules dans des conditions plus proches d’une application automobile a finalement été exploré. Les IF-MoS2 ont permis une réduction significative du frottement et de l’usure à température ambiante et en roulement/glissement, à la fois pour des surfaces lisses et rugueuses. Les risques associés à la présence de nanoparticules dans l’huile dans les régimes de lubrification en film complet ont été partiellement levés. Aucun impact significatif n’a en effet été constaté sur le coefficient de frottement pour l’ensemble des conditions d’essais retenues. Le potentiel des nanoparticules IF-MoS2 pour la protection des surfaces soumises à la fatigue de contact a enfin été démontré. / The growing environmental concerns, along with the continuous increase in the price of fossil fuels, have highly motivated car manufacturers worldwide to improve the efficiency of their vehicles. The tribological properties of engine and gearbox lubricants have a significant impact on the global efficiency of vehicles, as they contribute to reducing friction in many contacts and allow the downsizing of various components by providing their surfaces with anti-wear protection. The recent breakthroughs in nanoparticle synthesis have opened new prospects in terms of lubricant additivation, with the discovery of the excellent friction and wear reducing properties of nanoparticles such as Inorganic Fullerene-like (IF-) molybdenum or tungsten disulfides. The tribological potential of IF-MoS2 for automobile applications was investigated in this work. The respective influences of nanoparticle size and structure were first of all studied, revealing that poorly crystalline nanoparticles were more efficient in maintaining low-friction tribofilms on steel substrates in severe boundary lubrication regimes regardless of size (for the range studied). All the nanoparticles tested however showed similar performances when proper oil recirculation was ensured, providing a continuous feeding of the contact in nanoparticles. The IF-MoS2 nanoparticles lost their lubricating abilities when added to fully-formulated lubricants. This behavior was attributed to the presence of dispersants in the oil, which dispersed the nanoparticles effectively but prevented them from forming tribofilms on the rubbing surfaces. The well-dispersed IF-MoS2 were shown to enter the contact and exfoliate, but an excessive adsorption of the dispersants on the released MoS2 platelets and/or the steel surfaces is thought to prevent tribofilm adhesion. A balance between nanoparticle dispersion and tribological performance was then found, by using very low concentrations of dispersants. The behavior of nanoparticle-doped oils in various scenarios related to automobile applications was finally explored. The IF-MoS2 provided significant friction and wear reduction at ambient temperature and in milder rolling/sliding test conditions, for smooth and rough surfaces. The risks related to the presence of nanoparticles in the oil in full-film lubrication regimes were partially lifted, with no significant influence on friction witnessed for all the test conditions considered. The ability of IF-MoS2 nanoparticles to protect steel surfaces from surface-initiated Rolling Contact Fatigue was finally shown.

Malgré les innovations technologiques, les éoliennes restent sujettes à des défaillances prématurées de composants mécaniques imposants, ayant des conséquences considérables sur le coût de l’énergie. Parmi les défaillances majeures au sein des roulements d’éoliennes, un mode de fatigue de contact atypique se caractérise par de vastes réseaux de fissures ramifiées avec des phases microstructurales adjacentes d’apparence blanche à l’origine de la dénomination White Etching Cracks (WEC). Contrairement à la fatigue de contact classique, les WEC apparaissent pour un nombre de cycles et des charges relativement faibles, menant à une défaillance du composant imprévisible selon les modèles de durée de vie actuels. Les WEC ont été observés chez tous les roulementiers, dans diverses applications industrielles et pour différents types de roulements, éléments, lubrifiants, aciers et traitements thermiques. Ce manque de dénominateur commun rend les WEC difficilement reproductibles sur bancs d’essai sans chargement artificiel en hydrogène de l’acier. Ainsi, pour le moment, la formation des WEC ne fait pas l’objet d’un consensus. Une analyse des reproductions de WEC a été menée afin d’en comprendre les mécanismes tribologiques. Des protocoles expérimentaux ont été établis pour révéler les WEC, souvent situés à des positions inhabituelles par rapport au contact. Leur reproduction sur des roulements standards, chargés ou non en hydrogène, a permis de démontrer que le chargement artificiel en hydrogène, jusque-là couramment employé pour étudier la défaillance, reproduit des faciès identiques mais semble modifier l’initiation des WEC. Ainsi, des reproductions de WEC sans chargement en hydrogène et dans des configurations différentes ont été comparées afin d’appréhender les phénomènes tribologiques à l’origine des WEC. Les résultats suggèrent que l’initiation est principalement déclenchée par des phénomènes de surfaces avec l’absorption tribochimique d’hydrogène au niveau des surfaces métalliques fraîches sur la piste de roulement ou au niveau des flancs de microfissures superficielles. La propagation est ensuite assistée chimiquement par l’hydrogène concentré en pointe de fissure. Un arbre des causes étendu révèle que les WEC peuvent être associées à de multiples combinaisons de conditions opératoires qui semblent cependant conduire à des paramètres tribologiques similaires à l’échelle du contact avec, notamment, des cinématiques de glissement, des formulations de lubrifiants spécifiques et des paramètres tribochimiques catalyseurs comme la présence d’eau et/ou d’électricité. Une vaste campagne d’essai a alors été conduite sur un tribomètre bi-disques afin de simuler la fatigue de contact. Les résultats confirment que les facteurs influents identifiés ne sont pas pour autant auto-suffisants. La formation des WEC repose sur un équilibre instable entre aspects matériaux, mécaniques et tribochimiques, à maîtriser pour concevoir des solutions industrielles. / Despite constant expansion and engineering progress, wind turbines still present unexpected failures of heavy duty mechanical components drastically affecting the cost of energy. Among the most prevalent tribological failures in wind turbine rolling element bearings, a peculiar rolling contact fatigue mode has been associated to broad subsurface three-dimensional branching crack networks bordered by white etching microstructure, and thus named White Etching Cracks (WEC). Compared to conventional microstructural alterations, WECs tend to develop at moderate loads and cycles eventually leading to premature failures that remain unpredictable using fatigue life estimations. Far from being generic to specific manufacturers, WECs occur in various industrial applications, for various bearing types, components, lubricants, steels grades and heat treatments. As WEC occurrences present no common evident denominator, they remain delicate to reproduce on laboratory test rigs without prior artificial hydrogen charging, so that no consensus on WEC formation mechanisms have been confirmed yet. In this study, a thorough tribological analysis of WEC formation mechanisms has been led. Expertise protocols have been established to best reveal and observe WECs that commonly develop at unconventional locations versus the contact area. First analysis of WEC reproductions on standard rolling element bearings either hydrogen precharged or kept neutral have signified that artificial hydrogen charging, commonly employed to apprehend the failure mode, results in similar WEC morphologies but tends to alter WEC tribological initiation. In consequence, WEC reproductions in remarkably different configurations but without hydrogen charging have been compared in order to propose a better understanding of WEC surface-affected formation mechanisms: first, initiation via tribochemical hydrogen permeation at nascent steel surfaces formed either directly at the raceway or at surface microcracks flanks and second, propagation by local hydrogen embrittlement at crack tips function of the stress state. An extensive root cause analysis have then been led suggesting that WEC may be associated to various combinations of macroscopic operating conditions that often interact and come down to similar tribological parameters including high sliding energy thresholds, specific lubricant formulations and tribochemical drivers such as water contamination and/or electrical potentials. Further investigations on a minimalist twin-disc fatigue tribometer have provided additional evidence that WEC influent drivers are non-self-sufficient, supporting that WEC formation mechanisms rely on a subtle equilibrium between tribo-material, tribo-mechanical and tribo-chemical drivers that all should be mastered to design efficient and durable countermeasures.

La tenue des surfaces des contacts rugueux roulants est un problème crucial l’évaluation de la durée de vie des mécanismes. Cette durée de vie est conditionnée dès les premiers cycles par le rodage puis par les mécanismes de fatigue des surfaces. Le rodage est défini par le temps nécessaire à l’accommodation géométrique des surfaces rugueuses entre elles, à l’interface du contact. La charge transmise sur une faible aire de contact par rapport à l’aire apparente, crée des pressions importantes qui induisent de fortes contraintes en couche superficielle et des déformations plastiques de la microgéométrie. Cette plastification a lieu dans les tous premiers cycles puis la surface se stabilise, c’est le rodage. La répétition cyclique des sollicitations au cours du fonctionnement conduit enfin à l’endommagement du matériau et des avaries en surface telles que des micro-écailles. Après une étude bibliographique sur le contact roulant rugueux et les dispositifs expérimentaux existants, la difficulté de ce type d’analyse est mise en évidence. Elle consiste à effectuer un suivi en continu de l’évolution de l’état de surface du contact à une échelle suffisamment fine et précise. Une micromachine bi-disque a été développée afin de réaliser ce suivi quasi "in-situ" à l’échelle des rugosités permettant d’identifier les mécanismes de rodage et de dégradation. Un protocole expérimental précis permet de mesurer les surfaces antagonistes dans les premiers cycles correspondant au rodage. Les surfaces vierges mesurées sont utilisées comme paramètre d’entrée d’une simulation numérique du contact rugueux d’une sphère sur un plan. La déformée de surface numériquement obtenue à l’état stabilisé est comparée à celle mesurée expérimentalement à la fin du rodage. La très bonne superposition de ces résultats permet de valider cette méthode et les résultats numériques tels que les contraintes résiduelles et déformations plastiques. Les surfaces à l’état stabilisé obtenues, sont exploitées à travers différents critères de fatigue multiaxiaux. Les résultats numériques sont également comparés aux observations expérimentales pour déterminer le critère le plus adapté à cette analyse et permettant d’expliquer la formation de fissures et d’avaries de surfaces. / The surface life of rolling rough contacts is an important problem in the evaluation of the life expectancy of a machine. This life span is conditioned by the first cycles of the running-in process and then by the surface fatigue. The running-in period is defined by the time necessary for the rough surfaces to accommodate. The real area of contact is small compared with the apparent area, hence the load creates important pressures which lead to important stresses in the superficial layer and to plastic deformation of the microgeometry. The plastic deformation takes place over the first cycles then the surface stabilizes, this is the end of running-in process. The repeated cyclic loading finally leads to material damage below the surface and to surface micropitting. After a bibliographical study on the rough rolling contact and the existing experimental test machines, the difficulty of analysing the roughness evolution is pointed out. It requires a precise, continuous monitoring of the contact surface evolution on a small enough scale. A two-disk micro-machine was developed to perform this almost "in situ" monitoring at the roughnesses scale, allowing one to identify the mechanisms of running-in and surface degradation. An accurate experimental protocol allows one to measure the opposing surfaces in the first cycles corresponding to the running-in period. The initial surfaces are used as entrance parameters for a numerical simulation of the rough contact of a sphere on a plane. The deformed surface numerically obtained in the stabilized state is compared with the measured one at the end of the running-in period. The very good agreement between these results allows one to validate this method and the numerical results such as the residual stresses and the plastic deformation. Different multiaxial fatigue criteria are applied to the numerical results obtained in the stabilized state. The results are compared to the experimental observations to determine the criterion that is the most suited for this analysis and allows one to explain the crack formation and surfaces damage.

Le roulement est un élément essentiel dans la conception des machines tournantes. À l'échelle industrielle, sa défaillance peut avoir de coûteuses conséquences. La maintenance prédictive sert à minimiser les coûts d'entretien et à prévenir de l'état de fatigue du composant mécanique. Dans ce cadre, nous proposons une étude de l'endommagement par fatigue de contact de roulement appliquée au cas des butées à billes. Cette étude se structure en deux axes : numérique et expérimental. Le premier consiste à établir une modélisation numérique tridimensionnelle dynamique du passage cyclique d'une bille sur une bande de roulement en présence d'un indent, en utilisant la méthode des éléments finis. L'estimation de l'évolution de la taille d'un défaut d'écaillage initié en surface en fonction des cycles de chargement est effectuée. Ces résultats sont en adéquation avec les essais en laboratoire effectués dans les mêmes conditions à l'aide d'un banc d'essais de fatigue dédié aux butées à billes. Le deuxième axe consiste à déterminer un indicateur vibratoire utilisant l'analyse modale et permettant d'estimer le niveau d'endommagement de la butée à billes in situ en présence d'indent. La technique développée dans ces travaux permet de suivre l'évolution des valeurs de l'amortissement modal en fonction des cycles de vie, évolution déterminée à partir des essais en modes statique et dynamique. Cette étude contribuera à l'estimation de la durée de vie résiduelle du composant mécanique après apparition d'un écaillage en surface, en utilisant la méthode des éléments finis et en prenant compte de l'état d'endommagement de la structure. / The bearing is an essential element in the design of rotating machines. In an industrial context, bearing failure can have extremely costly consequences. Predictive maintenance minimizes the intervention costs and warns about the state of fatigue of the mechanical component. In this frame, we propose a study of the rolling contact fatigue damage applied to thrust ball bearings. This study is twofold: numerical and experimental. The first axis consists in establishing a dynamic three-dimensional numerical model of the cyclic shift of a ball on a running surface in the presence of an indent, using the finite element method. An estimation of the size evolution of a surface initiated spall depending on loading cycles is also performed. These results are consistent with laboratory tests executed in the same conditions using a fatigue test rig dedicated to ball bearings. The second axis consists in determining a vibratory indicator using modal analysis to estimate the on-line structural damage level of the ball bearing in the presence of an indent. The technique developed in this work enables monitoring the evolution of the modal damping values based on the life cycles determined from tests in static and dynamic modes. This study will contribute to estimate the residual life of the mechanical component after onset of a spall using the finite element method and accounting for the structural damage state.