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.

De nombreux projets visant à réduire l’impact environnemental global des avions sont lancés au niveau européen. L’un des moteurs étudié pour les avions moyens et longs courriers est le moteur Ultra High Bypass Ratio (UHBR) : un moteur simple corps, double flux, à flux externe fortement augmenté. Le moteur UHBR doit être équipé d’un réducteur épicycloïdal, qui est un composant jamais utilisé dans un turboréacteur jusqu’à présent. L’optimisation d’un réducteur épicycloïdal a conduit à l’utilisation de paliers hydrodynamiques pour supporter les pignons satellites du porte-satellites.Pour une telle application, le palier hydrodynamique subit une déformation très élevée due aux charges de l’engrènement sur le pignon satellite et à l’effet centrifuge engendré par la rotation du porte-satellites. La géométrie optimisée des composants du palier varie avec le comportement thermique et mécanique des pièces, nécessitant la prise en compte d’une modélisation thermoélastohydrodynamique (TEHD).Afin de modéliser précisément ces phénomènes, un modèle conservatif dans la zone inactive en régime TEHD a été développé et validé à l’aide des résultats d’essais de la littérature et des bancs d’essais de Safran Transmission Systems. Les résultats obtenus montrent un double champ de pression dans le palier hydrodynamique du réducteur épicycloïdal, engendré par la forte déformation élastique du pignon agissant ainsi de façon significative sur le comportement dynamique du palier. De plus, l’influence de l’effet centrifuge sur l’huile dans le palier a été également examinée. / Several projects aimed at reducing the overall environmental impact of aircrafts are launched at European level. One of the engines studied for medium and long-haul aircraft is the Ultra High Bypass Ratio (UHBR) engine: a single-body, dual-flow gas turbine, with a greatly increased external flow rate. The UHBR engine must be equipped with an epicyclic reduction gearbox, which is a component never used before in a turbofan engine. The optimization of an epicyclic gearbox has resulted to the use of hydrodynamic bearings for supporting the satellite gears on the planet carrier.The hydrodynamic bearing of such application undergoes high deformations due to the gear contact loads on the satellite gear and to the centrifugal effect generated by the rotation of the planet carrier. The optimized geometry of the bearing components is influenced by the thermal and mechanical behavior of the bearing components, which requires a thermoelastohydrodynamic (TEHD) modeling taking into account the real film thickness under operation.In order to precisely simulate these phenomena, a conservative modeling in the inactive zone, under a TEHD regime has been developed and validated by comparing the predictions to the test results of the literature and of the test benches of Safran Transmission Systems. The results obtained show a double pressure field in the hydrodynamic bearing of the epicyclic reduction gearbox, due to the strongly deformed film thickness, which greatly affect the dynamic behavior of the bearing. In addition, the influence of the centrifugal force on the oil pressure in the oil film was also examined.

Cette thèse a pour objectif de mener une optimisation des corrections de forme des engrenages cylindriques, droits et hélicoïdaux. Le travail se décompose en quatre parties principales. Dans la première partie, on présente un état de l'art sur les différents types de corrections de forme proposées dans la littérature. Une analyse des travaux d'optimisation, menés jusqu'à présent, est conduite. La deuxième partie est focalisée sur une approche déterministe visant à cerner l'influence des corrections de dentures sur les principaux critères de performance. Dans ce contexte, on propose un développement analytique qui caractérise les fluctuations d'erreur de transmission quasi-statique permettant d'obtenir des relations approchées originales. En présence de plusieurs paramètres de corrections, un algorithme génétique est utilisé afin d'identifier, en un temps réduit, les solutions optimales. Nous proposons, en troisième partie, une étude probabiliste pour caractériser les corrections robustes. Ainsi, on définit une fonction objectif de robustesse faisant intervenir des paramètres statistiques. Après une étape de validation, l'estimation de ces paramètres est effectuée en utilisant les formules de quadrature de Gauss. Plusieurs études paramétriques sont ensuite menées et qui reflètent entre autre l'influence des classes de qualité, la forme de la correction, etc. Enfin, on a conduit une optimisation multicritère en utilisant un algorithme d'optimisation spécifique : " NSGA-II ".

Ce travail vise à prédire le comportement dynamique de transmissions par engrenages supportées par des paliers hydrodynamiques, semblables à celles utilisées dans le domaine de la propulsion navale. Un modèle couplé de transmission mécanique est présenté ; il traite la plupart des interactions possibles entre les engrenages, les arbres et les paliers. Un élément d'engrenages à dentures larges, avec raideur non linéaire et dépendante du temps, est combiné à des éléments finis de poutre alors que la contribution des paliers est introduite par la résolution directe de l'équation de REYNOLDS et d'un model thermique simplifié. A cause des jeux de fonctionnement des paliers, une attention particulière a été portée à la définition de l'état de référence et des degrés de liberté. La réponse du système est calculée par la combinaison d'un schéma d'intégration temporelle, d'une méthode de NEWTON-RAPHSON et d'un algorithme de contact normal unilatéral de manière à ce que les conditions de contact aux paliers et entre les dents soient simultanément traitées. Les résultats de simulation sont comparés à des mesures réalisées sur un banc d'essai de haute précision possédant un train simple étage en dentures droites et hélicoïdales, supporté par des paliers lisses de type hydrodynamique. Les comparaisons fournissent un bon accord et aboutissent à la validation du modèle de couplage tant sur les aspects globaux que locaux. Bon nombre de résultats sont également présentés, qui montrent que certains paramètres, bien souvent ignorés dans les modèles de la littérature, tels que la position de la zone d'alimentation des paliers, la température de lubrifiant dans les paliers, les accouplements avec l'environnement extérieur peuvent fortement modifier l'équilibre statique et le comportement dynamique du système, jusqu'aux contacts entre les dents.

Le prototypage virtuel des circuits pneumatiques de puissance, par exemple les circuits de freinage des véhicules industriels, constitue un enjeu important en raison de la complexité des écoulements en régime transsonique et des couplages entre les échelles locales et macroscopiques. Ces problèmes sont rencontrés lors de la conception, de la synthèse des commandes et de l'analyse des performances statiques et dynamiques de ces circuits et l'analyse. La mise au point des modèles numériques de ces systèmes induit des coûts et des temps importants par rapport à d'autres systèmes. La démarche proposée dans cette thèse repose sur la construction numérique de bases de données permettant de caractériser le comportement local et macroscopique d'un composant de circuit en fonction de la variation de certains paramètres physiques ou géométriques par rapport à un point de fonctionnement de référence. Les bases de données résultent de l'extrapolation de la solution des équations de Navier Stokes moyennées (RANS) pour le point de référence considéré obtenu à l'aide d'un logiciel de paramétrisation en mécanique des fluides (Turb'Opty). La contribution de cette thèse repose pour l'essentiel dans un travail d'analyse des solutions issues de la paramétrisation dans deux contextes différents: la tuyère De Laval et un élément "coude", des composants élémentaires de circuit. Nous avons montré que ces exemples "simples" conduisent déjà à des difficultés importantes en termes de paramétrisation du problème et du calcul des dérivées des champs aérodynamiques en raison de la taille du problème. Pour pallier cette difficulté, nous avons proposé de déraffiner le maillage et nous avons alors montré que cette démarche conduit parfois à déplacer ou à atténuer certains phénomènes (chocs). La deuxième contribution de ce travail repose sur l'évaluation de la qualité des solutions extrapolées, de leur domaine de validité et la construction des liens entre grandeurs locales et macroscopiques. Nous avons enfin proposé une démarche permettant de reconstruire la caractéristique en débit d'un composant à partir de la détermination de la solution extrapolée pour un nombre limité de points de référence.

Les systèmes de transmission par engrenages sont largement utilisés pour transmettre de la puissance et adapter les vitesses de rotation entre organes moteurs et récepteurs. Dans ce contexte, les engrenages sont fréquemment les organes parmi les plus sensibles de la chaîne cinématique et peuvent être soumis à un grand nombre d'avaries (fatigue de contact, fatigue de flexion, usure...etc.) apparaissant lors du fonctionnement et dont les causes sont multiples. L'objectif de ce travail est, d'une part, de simuler l'usure abrasive et la fatigue de contact conduisant à de l'écaillage (pitting) et, d'autre part, d'analyser les interactions entre ces avaries et le comportement statique et dynamique de transmission par engrenages. A cette fin, un modèle dynamique tridimensionnel d'engrenages de fortes largeurs est couplé à des modèles d'usure et d'avaries de contact. L'usure est simulée en s'appuyant sur le modèle d'Archard modifié afin de tenir compte de l'influence du régime de lubrification. Les usures obtenues après un certain nombre de cycles de chargement sont considérées comme des écarts initiaux additionnels par rapport à la géométrie idéale du flanc de denture. Les phénomènes de fatigue de contact par pitting sont analysés en deux étapes; a) une période d'initiation de fissure simulée en s'appuyant sur plusieurs critères de fatigue multiaxiaux et b) une phase de propagation de fissure traitée par la mécanique linéaire élastique de la rupture. Les sollicitations dynamiques fournies par le modèle dynamique d'engrenages sont utilisées comme données d'entrée pour la simulation des périodes d'initiation puis de propagation. Un grand nombre d'exemples d'application sont présentés et les interactions entre comportement dynamique, usure et fatigue sur des engrenages cylindriques sont analysées.

Ces dernières années, les technologies à courant continu haute tension (en anglais, HVDC) basées sur les convertisseurs modulaires multiniveaux (MMC) sont adoptées comme solution pour l'intégration efficace des énergies renouvelables dans les réseaux électriques. Cependant, ces technologies présentent de nouveaux défis dans la façon dont les systèmes de transmission de puissance sont contrôlés et exploités, car des stratégies de contrôle plus rapides et plus complexes seront nécessaires dans un domaine qui repose aujourd'hui fortement sur la décision humaine. Dans ce contexte, la modélisation des systèmes à événements discrets (SED) et la théorie du contrôle par supervision (TCS) sont des outils puissants pour la synthèse de superviseurs qui assurent que le système à contrôler respecte un ensemble de spécifications comportementales, imposées par le concepteur, dans ses limites physiques. Ce travail propose une méthode pour le développement complet, de la conception à la mise en œuvre, du contrôle par supervision d'un système Multi-Terminal DC (MTDC). Une analyse du système considéré a été effectuée afin d'identifier les principaux composants et modes de fonctionnement du réseau. La solution proposée repose sur la modélisation par événements discrets du comportement en temps continu des composants du système. A partir de là, les concepts de la TCS sont appliqués de manière à obtenir une architecture de contrôle hiérarchique prenant en compte la priorité de certaines actions de contrôle à traiter au niveau local. De plus, les contrôleurs discrets obtenus présentent une structure de commutation de mode afin de réaliser une gestion de mode pendant le fonctionnement du réseau MTDC. Enfin, une méthode pour la mise en œuvre des contrôleurs obtenus dans un logiciel de simulation de système électrique répandu est proposée. L'ensemble dutravail a été validé par la simulation d'une étude de cas impliquant la gestion des modes d'un système MTDC bipolaire à trois terminaux. / The growth of renewable energy production is changing the future of power transmission systems. In recent years, High-Voltage Direct Current (HVDC) technologies based on Modular Multilevel Converters (MMC) are embraced by industry and academia as a solution for the efficient integration of renewable energies into electrical grids. However, this type of technology introduces new challenges in the way power transmission systems are controlled and operated, as faster and more complex control strategies will be needed in a domain which nowadays relies heavily on human decision. In this context, Discrete Event Systems (DES) modeling and Supervisory Control Theory (SCT) are powerful tools for the synthesis of supervisors ensuring that the system to be controlled respects a set of behavioral specifications, imposed by the designer, within its physical limitations. This work proposes a method for the full development, from conception to implementation, of the supervisory control of a multi-terminal DC (MTDC) system. A functional analysis on the considered system has been done so as to identify the main components and operational modes of the grid. Then, the proposed solution is based on the discrete-event modeling of the continuous-time behavior of the components in the system. From there, SCT concepts are applied so as to obtain a hierarchical control architecture taking into account the priority of some control actions that should be treated at the local level. Furthermore, the obtained discrete controllers present a mode-switching structure in order to realize mode management during the operation of the MTDC grid. Finally, a method for the implementation of the obtained controllers in widespread power system simulation software is proposed. The whole work has been validated through the simulation of a case study, involving the mode management of a 3-terminal bipolar MTDC system.

Le prototypage virtuel des circuits pneumatiques de puissance, par exemple les circuits de freinage des véhicules industriels, constitue un enjeu important en raison de la complexité des écoulements en régime transsonique et des couplages entre les échelles locales et macroscopiques. Ces problèmes sont rencontrés lors de la conception, de la synthèse des commandes et de l'analyse des performances statiques et dynamiques de ces circuits et l'analyse. La mise au point des modèles numériques de ces systèmes induit des coûts et des temps importants par rapport à d'autres systèmes. La démarche proposée dans cette thèse repose sur la construction numérique de bases de données permettant de caractériser le comportement local et macroscopique d'un composant de circuit en fonction de la variation de certains paramètres physiques ou géométriques par rapport à un point de fonctionnement de référence. Les bases de données résultent de l'extrapolation de la solution des équations de Navier Stokes moyennées (RANS) pour le point de référence considéré obtenu à l'aide d’un logiciel de paramétrisation en mécanique des fluides (Turb’Opty). La contribution de cette thèse repose pour l'essentiel dans un travail d'analyse des solutions issues de la paramétrisation dans deux contextes différents: la tuyère De Laval et un élément "coude", des composants élémentaires de circuit. Nous avons montré que ces exemples "simples" conduisent déjà à des difficultés importantes en termes de paramétrisation du problème et du calcul des dérivées des champs aérodynamiques en raison de la taille du problème. Pour pallier cette difficulté, nous avons proposé de déraffiner le maillage et nous avons alors montré que cette démarche conduit parfois à déplacer ou à atténuer certains phénomènes (chocs). La deuxième contribution de ce travail repose sur l'évaluation de la qualité des solutions extrapolées, de leur domaine de validité et la construction des liens entre grandeurs locales et macroscopiques. Nous avons enfin proposé une démarche permettant de reconstruire la caractéristique en débit d'un composant à partir de la détermination de la solution extrapolée pour un nombre limité de points de référence. / Virtual prototyping pneumatic circuits for power transmission, for example braking circuits of trucks, is still a difficulty because of the complexity of the flow behavior in transonic conditions and of the coupling between local and macroscopic scales. These problems are met during system design, control synthesis and for static and dynamic performance analysis. Tuning accurate numerical models requires important costs and time when compared to other systems. The methodology proposed in this PhD thesis relies on numerically determining a data base that characterizes the local and macroscopic behavior of a circuit component according the variation from a reference point of some physical or geometrical parameters. The data bases are obtained from the extrapolation of the Mean Navier Stokes solution (RANS) for a given reference point with the help of a parametrization software dedicated to fluid mechanics (Turb'Flow). The main contribution of this thesis relies io the analysis of the solution obtained from the parametrization in two different cases: the De Laval nozzle and un "elbow" connecting element, which are elementary component in a circuit. We have shown that these two "simple" cases lead already to important difficulties in term of problem parametrization and calculation of the derivatives of the aerodynamic fields because of the problem dimension. In order to tackle this, we proposed to reduce the spatial discretization (mesh derefining) and we showed that this approach could sometimes lead to damp or move some phenomena (shocks). The second contribution of this work relies on evaluating the quality of the extrapolated solution and their validity domain, and on building links between local and macroscopic behavior. Finally, we proposed a method that allows the mass flow rate characteristic of a component to be determined from the calculation of the extrapolated solution issued from a limited number of reference points.

Les progrès techniques faits ces dernières années dans le domaine des batteries ainsi que le durcissement des normes écologiques entraînent un regain d'intérêt pour les véhicules hybrides et électriques. La possibilité d'utiliser plusieurs sources de puissance à l'intérieur d'un même véhicule conduit à remettre en question les architectures traditionnelles des véhicules et à étudier des architectures multi-sources. Après un état de l'art des architectures et des systèmes de transmission de couple, le véhicule prototype du projet VELROUE, utilisé par la suite comme moyen d'essai, est présenté. Puis, le contrôle du patinage des roues arrière du véhicule VELROUE équipé d'un moteur thermique sur le train avant et de deux moteurs électriques reliés aux roues arrière est étudié. Ensuite, différents modèles véhicules sont détaillés en vue d'analyser les transferts d'énergie au sein du système à l'aide de l'outil Bond Graph, de synthétiser des lois de commande de contrôle du patinage et de simuler le comportement du véhicule pour valider les fonctions d'anti-patinage (ASR). Une première commande de type PID qui servira de référence est dans un premier temps introduite. La contribution principale de ce travail de thèse concerne la synthèse et la mise en oeuvre de commandes non linéaires soit par retour linéarisant, soit basée sur la théorie de la platitude. Les modèles de synthèses de commande sont issus d'hypothèses classiques retenues lors des situations de vie considérées : dynamique longitudinale, pompage et tangage sur un double modèle bicyclette. Une stratégie de commande est également développée afin d'assurer la sécurité du conducteur, de réduire les besoins matériels et d'améliorer l'agrément conducteur. Enfin, les commandes non linéaires développées sont testées en simulation puis validées expérimentalement sur le véhicule VELROUE. Une comparaison de ces commandes est effectuée selon des critères énergétiques, de performances, de complexité et de coût. Ces techniques développées pour l'ASR sont étendues pour des phases de freinage récupératif (MSR), qui constitue également une originalité de ces travaux. / The technical progress made during last years in the battery field and the environmental standards hardening lead to an increased interest in hybrid and electric vehicles. The possibility to use several power sources inside a vehicle leads to question the traditional vehicle architectures and to study multi-power sources architectures. After a state of the art on architectures and torque transmission systems, the VELROUE project's prototype is presented. This prototype is later used as a validation platform. Then, the rear wheels slipping control of the VELROUE vehicle which is equipped with an internal combustion engine on the front axle and with two electric motors connected to the rear wheels is studied. Next, different vehicle models are described to analyze energy transfers inside the system using Bond Graph, to synthesize anti-slipping control laws and to simulate the vehicle behavior in order to validate the anti-slipping functions (ASR). A first PID-like controller is initially introduced to serve as reference. The main contribution of this thesis deals with the synthesis and implementation of nonlinear controls either using linearizing feedback, or based on the flatness theory. The synthesis controls models come from classical hypothesis: longitudinal and vertical dynamics and pitch on a double bicycle model. A control strategy is also developed to assure driver's security, to reduce material needs and to enhance the driver approval. Finally, the nonlinear controls developed here are simulated and then experimentally validated on the VELROUE vehicle. A comparison of these commands is performed according to energy, performance, complexity and cost criteria. These control laws developed for ASR are extended to regenerative braking phases (MSR), which is also an originality of this work.

Les travaux présentés à travers ce manuscrit s'inscrivent dans un contexte de recherches exploratoires sur l'optimisation des surfaces engrenantes. Après une étude approfondie de l'emploi des engrenages dans un environnement aéronautique, l'élaboration d'une nouvelle méthodologie de génération de profils de denture est proposée. Les travaux s'attachent à caractériser le comportement mécanique spécifique d'un montage d'engrenages dans les Boites de Transmission de Puissances (BTP) d'hélicoptère.Un outil informatique a été créé dans le module VBA (Visual Basic Application) d'Excel. Il permet de créer automatiquement des profils de denture conjugués et optimisés. Il a l'avantage de définir analytiquement plusieurs grandeurs physiques. L'outil a ainsi pour objectif de proposer des profils de denture optimisés selon plusieurs critères. Les « objectifs » retenus sont le rendement et la contrainte équivalente de Hertz au contact suivant le critère de Von Mises.Les travaux s'articulent autour de trois axes : - la reconstruction de profils conjugués de denture par une approche novatrice basée sur le « contact », - la construction de critères physiques (glissement, pression, contrainte, …), - la recherche de profils de denture optimaux en utilisant la simulation de Monte Carlo.Enfin, la perspective de rendre générique cette méthode afin qu'elle puisse générer n'importe quels types d'engrenage est envisagée en fin de manuscrit. / The work described in the present manuscript is part of exploratory researches dealing with gears meshing surfaces optimization. After a short study of gears used in an aeronautical environment, the development of an innovative tool for tooth profile design is defined. Then, the specific behavior of a gear mesh within a helicopter main gearbox (MGB) is evaluated.A VBA software has been coded under MS Excel to generate conjugated and optimized gear tooth profiles. It advantageously defines and uses several physical parameters with their analytical formulation. The software provides at the user optimized tooth profiles according to a couple of criteria. The two “objective” functions evaluated are the efficiency and the Hertz equivalent stress within the contact using the Von Mises criterion.The work has been focused on three aspects:- The design of conjugated tooth profiles by contact sharing,- The definition of the relevant physical parameters,- The optimization of tooth profiles using Monte Carlo SimulationEventually, a generic method to design gear profiles, taking into account any physical parameters related to a gear mesh, could be expected as a future of this thesis work.