Cette étude par éléments finis se propose d estimer la tenue en Fatigue de Contact de Roulement (FCR) d'une roue ferroviaire. La première partie de la thèse présente une analyse critique des approches de la littérature consacrées aux différents aspects du problème de FCR. La deuxième partie porte sur la modélisation bidimensionnelle d'une roue ferroviaire, comportant un défaut circulaire, et soumise à une pression de contact hertzien en mouvement. L'endommagement est quantifié par un paramètre de fatigue basé sur la densité d'énergie et la notion de plan critique. La durée de vie est calculée à l'aide d une loi utilisant les paramètres de fatigue oligocyclique. On montre que la technique du submodeling est un outil efficace permettant de réduire le temps de calcul CPU. Le troisième chapitre est une étude paramétrique de l'influence sur la durée de vie, du niveau de chargement, de la profondeur, de la nature et de la taille des défauts. Les résultats montrent que le plan critique d amorçage de fissure est parallèle à la surface de contact lorsque le mode I domine¡; il s'en écarte quand le mode II est prépondérant. Le quatrième chapitre porte sur l'influence des chargements à amplitudes variables ainsi que celle du frottement. On montre l effet bénéfique d une surcharge sur la durée de vie à l'amorçage de fissure. L'incidence néfaste du coefficient de frottement sur la durée de vie est mise en évidence dans le cas d'une roue avec et sans défaut. Enfin, la dernière partie de ce travail aborde les effets d'inertie dans le cas de la FCR. La durée de vie est surestimée dans le cas statique et diminue en dynamique avec la vitesse de roulement et le niveau de chargement / This study by finites elements proposes to estimate the Rolling Contact Fatigue (RCF) strength of a railway wheel. The first part of the thesis presents a critical analysis of the approaches of the literature relatives to the various aspects of the problem of RCF. The second part relates to the two-dimensional modeling of a railway wheel, consist a defect circular, and subjected to a moving hertzian contact pressure .The damage is quantified by a Fatigue Parameter (FP) based on the density of energy and the concept of critical plan. The lifetime is calculated using a law consist of the parameters of low-cycle fatigue. It is shown that the technique of the submodeling is an effective tool to reduce the computing time CPU. The third chapter is a parametric study about the influence over the lifetime, of the loading level, the defect depth, the nature and the size of the defects. The results show that the critical plan of crack initiation is parallel to the contact surface when mode I dominate; it deviates when mode II is dominating. The fourth chapter relates to the influence of the loadings with variable amplitudes and that of friction. We show the beneficial effect of an overload over the lifetime to crack initiation. The harmful incidence of the coefficient of friction over the lifetime is highlighted in the case of a wheel with and without defect. Finally, the last part of this work approaches the effects of inertia in the case of the RCF. The lifetime is over-estimated in the static case and decreases in dynamics with the rolling speed and the loading level

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.

Doktorarbeit--Fakultät für Maschinenbau--Ruhr-Universität Bochum, 1989.

Au terme de cette étude, un critère objectif synthétisant la perception du confort acoustique sera défini pour le cas du bruit de roulement dans une voiture particulière. Le bruit généré lors du roulage n'étant actuellement défini que par son niveau acoustique global, on veut expliquer sa perception par rapport à des calculs psychoacoustiques validés. Pour ce faire, l'analyse sensorielle est utilisée afin de décrire le bruit de roulement par des descripteurs sensoriels. D'abord, à partir d'une banque de sons préenregistrés en conditions contrôlées, une écoute en salle sur jury permet de dresser la liste des termes les plus évocateurs pour décrire les aspects perceptifs du bruit de roulement. Ensuite, chaque membre du jury évalue l'intensité de chaque aspect retenu sur une échelle d'intensité de 0 à 15. Parallèlement, une série de calculs effectués par traitement du signal attribuent des valeurs psychoacoustiques sur ces mêmes enregistrements. Une étude statistique de régression multiple permet alors de lier les intensités perçues à des métriques psychoacoustiques, pour rendre objectif le caractère subjectif de la perception acoustique. Les résultats attendus sont sous forme d'une liste de descripteurs perceptifs, chacun ayant été corrélé avec une fonction ou un algorithme appliqué à un enregistrement binaural. L'intégration de ces fonctions dans un logiciel synthèse d'analyse permet d'anticiper l'appréciation client. Ce travail s'insère dans le cadre plus général d'un déploiement orienté vers les attentes de différentes typologies de clients chez Renault S.A. Pour des raisons de confidentialité, les descripteurs de même que les coefficients de régression liant les descripteurs aux métriques psychoacoustiques ne sont pas explicités. Par ailleurs, ce mémoire se concentre sur la méthodologie adoptée ainsi que sur l'interprétation des résultats.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Ces travaux de thèse concernent l’étude des effets des oscillations de faibles amplitudes sur la durée de vie en fatigue de contact pour des composants d’actionneurs de vol. Des outils théoriques et expérimentaux ont pour cela été employés.Un modèle semi-analytique de contact rugueux élasto-plastique a été codé puis utilisé. Celui-ci, couplé au modèle de Dang Van, a permis de réaliser une étude théorique de l’influence du sens de passage de contacts sur la durée de vie en fatigue. Une comparaison en fatigue entre mouvements continus et mouvements oscillants a ainsi pu être faite.Un banc bi-disque a été spécifiquement développé chez UTAS pour pouvoir réaliser des essais de fatigue de roulement aussi bien en mouvements continus qu’en mouvements oscillants. Des essais de lubrification ont été réalisés sur des éprouvettes en XD15NW et en CX13VD afin de caractériser le phénomène de faux effet Brinell. Des essais de fatigue en lubrification optimale ont finalement été réalisés sur les éprouvettes en XD15NW en mouvements continus et en mouvements oscillants, les résultats ont été comparés et mis en vis-à-vis avec ceux de l’analyse théorique. / This PhD thesis is a study of small reciprocating motions effects on contact fatigue life of flight actuator components. Theoretical and practical tools are used for this purpose.A semi-analytical elasto-plastic rough contact code has been implemented and, then, used. This code, associated with Dang Van model, allowed us to perform a theoretical study of rolling direction effect on fatigue life. A comparison has been made between continuous motions and reciprocating motions.A twin-disc test bench has been specifically design at UTAS to allow us to perform rolling fatigue tests with continuous motions or with reciprocating motions. Lubrications tests have been done on XD15NW and CX13VD samples in order to study false brinelling phenomenon. Finally, fatigue tests in ideal lubrication conditions have been done on XD15NW samples with continuous motions and with reciprocating motions, results have been cross-checked each other and cross-checked with theoretical results.

Le roulement est l'un des composants les plus importants des machines tournantes. Néanmoins, dans des conditions normales d'utilisation, il est soumis à de la fatigue de roulement qui peut conduire à un défaut d'écaillage. Dans ce travail, nous présentons un suivi de la fatigue d'un roulement de butée grâce à un banc d'essais dédié. L'analyse vibratoire est une méthode qui permet de caractériser et de localiser les défauts dans les roulements. Des mesures successives de ces niveaux de vibrations donnent des indications quant à l'évolution de la sévérité des défauts. Le suivi de cette évolution est fait grâce à un indicateur statistique, la valeur RMS (Root Mean Square) qui peut être corrélée avec la taille d'un écaillage de roulement. L'approche suit le fonctionnement du roulement de butée jusqu'à la dégradation avec une acquisition on line des états vibratoires sous forme de signaux temporels. A l'aide du traitement de signal, on obtient les valeurs des amplitudes vibratoires qui caractérisent l'état vibratoire du roulement. Par conséquent, ces valeurs nous permettent de tracer les courbes de fatigue. Au cours de notre travail expérimental, cette opération est appliquée à un lot de butées à billes pour lesquelles nous avons obtenu des courbes semblables où la tendance de l'évolution suit un modèle mathématique à partir de la détection de l'apparition de la première écaille. Le résultat de ce travail contribuera à prédire la durée de vie résiduelle avant la panne. / The bearing is one of the most important components of rotating machines. Nevertheless, in normal conditions of use, it is subject to fatigue which creates a defect called a rolling fatigue spalling. In this work, we present a follow-up of the thrust bearing fatigue on a test bench. Vibration analysis is a method used to characterize the defect. In order to obtain the fatigue curve more adjusted, we have studied the vibration level according to statistical indicators: the Root Mean Square value (RMS value), which is one of the best indicators to show the evolution of the bearing degradation. The approach follows the working of the bearing until the degradation with an on line acquisition of vibration statements in form of time signals. With the signal treatment, we obtain the values of the vibration amplitudes which characterize the vibration state of the bearing. Consequently, these values allow us to plot the fatigue curves. During our experimental work, this operation is applied for a batch of thrust bearings for which we have obtained similar fatigue curves where the evolution trend follows a mathematical model from the detection of the onset of the first spall. The result of this work will contribute to predict the working residual time before failure.

Les conditions de fonctionnement rencontrées dans la problématique de nouvelles générations d'alternateurs automobiles avec des chargements variables et un environnement mécanique complexe déformable ont un effet non négligeable sur le comportement mécanique du roulement et par conséquent sur sa durée de vie. Il est proposé dans ce travail une approche permettant de prendre en compte ces paramètres dans l'estimation de la durée de vie des roulements. La répartition des efforts obtenue des considérations statiques sont utilisés dans un modèle dynamique simplifié permettant de déterminer de l'état de contrainte au cours du temps dû au passage de billes sur la piste de roulement. L'approche multi-échelle de Dang Van couplée à une loi de cumul d'endommagement a permis de déterminer le nombre de cycles avant l'apparition des premiers signes de fatigue. La dernière phase du travail concerne l'aspect expérimental qui a montré que le phénomène de fatigue n'est pas la seule cause de dégradation des roulements montés dans les alternateurs automobiles. / The operating conditions encountered in the new generations of automotive alternators with variable loads and a deformable complex mechanical environment have a significant effect on the mechanical behavior of the bearing and hence its fatigue lifetime. An approach that takes into account these parameters in the ball bearing fatigue lifetime has been proposed in this work. The load distribution obtained from static considerations are used in a simplified dynamic model in order to determine the time-dependent stress state due to ball rolling on the raceway. The Dang Van multiscale approach coupled with a damage law was applied to determine the number of cycles before the apparition of the first signs of fatigue. The last phase of work involves the experimental aspect that shows that the fatigue phenomenon is not the only cause of degradation of bearings mounted in automotive alternators.