La diminution de l’impact environnemental des moteurs électriques conduit à des améliorations du rendement et de la compacité. Puisque la taille de la transmission est réduite, des problèmes d’échauffements peuvent apparaître car la surface d’échange avec l’environnement est fortement réduite, diminuant les possibilités de refroidissement. L’ensemble du système doit être caractérisé en termes de pertes de puissance et de capacité de transfert thermique pour déterminer si la température maximale en fonctionnement correspond aux exigences de fiabilité tout au long de la durée de vie du système. Cette thèse propose un modèle thermique d’une transmission avec des engrenages spiraux coniques, lubrifiée par bain d’huile. Le modèle thermique utilise la méthode des réseaux thermiques. Par conséquent, une estimation précise des pertes et des transferts thermiques entre les différents éléments est nécessaire. Une revue des méthodes existantes est présentée, indiquant que les pertes par barbotage des engrenages spiraux coniques ne sont pas totalement maîtrisées, entraînant la conduite d’une série d’essais sur un banc d’essai dédié. Cette étude se conclue sur l’application du modèle à la transmission ainsi que la proposition de points d’améliorations. / Environmental concern leads to improvements in both efficiency and power density of electrical motors. For compact transmissions, thermal issues can become critical: the surface available for thermal exchange with the environment is reduced, minimizing the possibility to cool down the elements. To ensure the system reliability, the operating temperature for each operating condition must not exceed the required maximum oil temperature. In order to evaluate its thermal behavior, the whole system should be therefore evaluated in terms of power losses and heat transfer. This PhD proposes a thermal model of an existing oil bath lubricated gear unit with spiral bevel gears. The thermal model uses the thermal network method, which needs an accurate prediction of power losses of the different elements and heat transfer between them. A review of the existing methods is presented. Since the churning losses of spiral bevel gears has never been fully characterized, specific tests have been done on a dedicated test bench. The last part of this work suggests possible improvements on the gearbox design.

Les maladies ostéoarticulaires représentent environ 10% de l’ensemble des pathologies identifiées en France chaque année. Ces maladies inflammatoires et dégénératives des articulations sont pour la plupart consécutives au vieillissement ou à un traumatisme et évoluent vers l’usure des cartilages, d’où un handicap sévère. Comme aucun traitement ne permet la réparation totale du tissu cartilagineux, la recherche médicale développe des techniques d’ingénierie tissulaire. Ces techniques utilisent des substrats polymériques et des cellules souches qui sont « contraints » de se développer pour former du tissu cartilagineux. Cependant, ces techniques ne peuvent pas encore être utilisées à l’échelle d’une articulation complète car il n’est pas possible de reproduire ex vivo à grande échelle la structure et les propriétés mécaniques et physicochimiques du cartilage articulaire. Dans ce contexte, les travaux de cette thèse ont permis de développer des matériaux polymères capables d’être implantés à l’échelle macroscopique dans les articulations pathologiques afin de combler l’usure des cartilages. Pour se faire, de nouveaux biomatériaux - hydrogels p(HEMA) - ont été obtenus en contrôlant le caractère hydrophile des hydrogels p(HEMA) au cours de leur synthèse chimique en présence de différents co-monomères (acide acrylique, acrylamide, acrylate d'éthylène et acrylate de butyle). Partant de là, les propriétés physicochimiques, mécaniques et tribologiques de ces nouveaux hydrogels ont été optimisées afin d’obtenir des propriétés similaires à celles du cartilage articulaire sain. Ensuite, la libération contrôlée de médicaments par ces hydrogels a été étudiée afin de minimiser les risques inflammatoires lors de leur utilisation en ingénierie tissulaire du cartilage articulaire. / Osteoarticular diseases re present approximately 10% of all diseases identified in France each year. These inflammatory and degenerative joint disease are mostly consecutive with age or injuries and the wear progress of cartilage, resulting in severe disability. Because no treatment will total repair the cartilage tissue, medical research is developing techniques based on tissue engineering. These techniques use polymer substrates and stem cells that are "forced" to develop into cartilage tissue. However, these techniques cannot be used across a run articulation because Il is not possible-to replicate ex vivo a large-scale structure and the physicochemical and mechanical properties of articular cartilage. In this context, the purpose of this thesis is to develop polymer materials that can be implanted at the macroscopic level in the joints disease that will fill the wear of the cartilage. To do so, new biomaterials - hydrogels p (HEMA)- were obtained by controlling the hydrophilic nature of hydrogels p (HEMA) during their chemical synthesis in the presence of various co-monomers (acrylic acid, acrylamide, acrylate ethylene and butyl acrylate). From there, physicochemical, mechanical and tribological properties of these novel hydrogels have been optimized to obtain similar properties to those of healthy articular cartilage. Then, the controlled release of drugs from these hydrogels was studied to minimize inflammatory when used in tissue engineering of articular cartilage.

Cette étude s'intéresse aux performances des matériaux composites Carbone/Carbone 2,5D lors d'un freinage aéronautique de basse énergie. Durant la vie avion, l'état de surface des disques de frein évolue et les performances de freinage s'en trouvent modifiées. Les études expérimentales et les modélisations réalisées ont pour buts la maîtrise et la prédiction de l'évolution des propriétés de la surface, cela en fonction à la fois des conditions tribologiques mais également de la distance dans deux environnements d'étude: à sec et lubrifié. Un premier volet de ce travail consiste à caractériser finement le comportement mécanique en compression du composite Carbone/Carbone 2,5D, afin de comprendre les répercussions du frottement en sous-couche. Après la détermination des caractéristiques élastiques du matériau, le comportement élasto-endommageable en compression est relevé. Ces caractéristiques sont implémentées dans une simulation 1D et permettent de reproduire les courbes d'essais de compression cyclique à contrainte croissante. Parallèlement, une étude du comportement tribologique du C/C 2,5D à sec via des essais courts a permis de connaître les caractéristiques des coefficients de frottement de différents états de surface. Les coefficients de frottement moyens sont mis en relation avec le paramètre de rugosité Sk. Les essais tribologiques longue distance mis en oeuvre ont modifié l'état de surface des échantillons tant sur le plan topographique que sur le plan morphologique. Des fissures en sous-couche apparaissent, conséquence des efforts tribologiques subis. Ces observations ont menés à la détermination d'un mécanisme d'évolution d'état de surface des disques en environnement sec. Enfin, deux types d'essais en environnement lubrifié ont été proposés, afin de séparer le comportement ponctuel d'un état de surface du comportement tribologique avec la distance. Premièrement, une procédure d'essais tribologiques courts a été mise en place et s'affiche comme un moyen de caractérisation d'état de surface in-situ à part entière, avec des caractéristiques des courbes de Stribeck directement liées aux états morphologiques et topographiques. Ensuite, un plan d'expérience réunit les essais longs destinés à modifier l'état de surface d'éprouvettes pour plusieurs jeux de paramètres tribologiques. Les courbes de Stribeck de ces nouveaux états de surface sont analysées. Ainsi, les états de surface expérimentaux sont comparés à ceux des disques de frein industriels. / This study focuses on the performance of 2.5D Carbon/Carbon composite materials for low energy aeronautical braking. During aircraft life, the surface condition of the brake discs evolves and the braking performances change. The experimental studies and the modelizations carried out aim in controlling and predicting the evolution of surface properties, both in terms of the tribological conditions but also of the distance in two study environments: dry and lubricated. For this purpose, a characterization of the mechanical behavior in compression of the 2.5D Carbon/Carbon composite is performed in order to understand the repercussions of friction underlayer. The elastic characteristics of the material and the elasto-damaging behavior in compression are identified. These characteristics are used in a 1D simulation, that allows reproducing the cyclic compression test curves with increasing stress. At the same time, a study of the tribological behavior of the dry 2.5D C/C composite via short tests made it possible to know the friction coefficient of different surface conditions. The average friction coefficients are related to the roughness. The long-range tribological tests used have modified the topographic and morphological surface conditions of the samples. Cracks appear at the underlayer, as a result of the tribological efforts. These observations led to the determination of a mechanism for the evolution of surface condition of discs in a dry environment. Finally, two types of lubricated environment tests have been proposed in order to separate the instantaneous behavior of a surface state from the tribological behavior with the distance. First, a short tribological test procedure is set up and is displayed as a means of in-situ surface condition characterization in its own right, with characteristics of the Stribeck curves directly related to the morphological and topographical states. Next, an experimental plan combines long tests to modify the surface condition of test pieces for several sets of tribological parameters. The Stribeck curves of these new surface states are analyzed. Experimental surface conditions are compared with those of industrial brake disks.

Le développement des lubrifiants est un véritable levier pour les constructeurs automobiles et les pétroliers pour minimiser les pertes d'énergie dues aux frottements dans les moteurs. La viscosité est le principal paramètre sur lequel les formulateurs peuvent jouer pour abaisser les frottements. Cette thèse porte sur l'étude du rôle et des actions des additifs améliorants de viscosité (AVI) dans les lubrifiants moteur. L'objectif de cette thèse est de corréler l'étude portée à l'échelle moléculaire aux propriétés macroscopiques ainsi qu'aux performances des lubrifiants moteur pour pouvoir orienter les formulateurs vers une ou des molécules cibles qui permettront de répondre le mieux possible à ces problématiques. Ce travail est consacré à des poly-diène-styrène hydrogénés (P-diène-SH) et des copolymères éthylène propylène (EPC). Dans un premier temps, des études structurales des polymères AVI et rhéologiques des solutions ont permis de mettre en évidence l'influence des différentes chimies et structures des polymères sur leurs propriétés rhéologiques. Cette étude a porté sur une large gamme de températures (-20 à +135°C), taux de cisaillement (0 à 107s-1) et concentrations permettant de caractériser la configuration des polymères dans des conditions correspondant à l’application. Dans un second temps, ces propriétés rhéologiques ont été corrélées avec les coefficients de frottement et les épaisseurs de film centrales dans un contact de type sphère/plan en tribologie.Enfin, la capacité des chaînes de ces polymères à se rompre sous la contrainte d’un fort taux de cisaillement en écoulement pulsé ou continu a été étudiée et reliée à la configuration des polymères AVI en solution ainsi que leurs structures. L’ensemble de ces données a été utilisé pour proposer une structure chimique et une architecture présentant des propriétés AVI, une bonne résistance mécanique et un comportement tribologique satisfaisant. / The development of lubricants is a real challenge for the automotive and the petroleum industries to reduce the energy losses in engines due to frictions. The viscosity is the main parameter that the lubricant formulators can vary to reduce the frictions. This PhD deals with the role and mode of actions of viscosity modifier polymers (VM polymers) in lubricants.The purpose of this PhD is to correlate the study at the molecular scale with the macroscopic properties and the lubricant performances in order to orient the formulators towards one or several target molecules which could present the best properties.This work consisted in characterizing hydrogenated Poly-diene-styrene (P-diene-SH) and ethylene-propylene-copolymers (EPC).First, studies on the structure of VM polymers and on rheological properties of the solutions have shown the influence of the different chemical structures and polymer architectures on their rheological properties. This study was carried out on a large scale of temperatures (-20 à +135°C), shear rates (0 à 107s-1) and concentrations leading to characterizations under conditions corresponding to practical conditions.Secondly, these rheological properties were correlated with frictions coefficients and the film thickness in a sphere/plate contact in tribology.Finally, the ability of the polymer chains to break when a high shear rate was applied in a continuous or pulsed flow was studied and related to the chains configurations of the VM polymer and their structure.All these data were further used to propose a chemical structure and a polymer architecture leading to viscosity improved properties, a good resistance to degradation and a satisfactory behavior in tribology.

Les parties tournantes des turbomachines aéronautiques sont composées d’une succession de roues aubagées qui permettent le transfert de l’énergie entre l’air et le rotor. Ces roues aubagées constituent des pièces particulièrement sensibles car elles doivent répondre en termes de dimensionnement à des impératifs de performances aérodynamiques, d’aéroacoustique et de tenue mécanique à la rotation,à la température et à la charge aérodynamique. Le contact avec frottement existant au niveau des attaches aube-disque joue un rôle important sur les niveaux vibratoires.Ce travail porte sur l’étude de l’usure par fretting sous chargements dynamiques dans les interfaces frottantes. En effet, les vibrations de l’aube peuvent produire des micro-glissements en pied d’aubequi peuvent entraîner un phénomène d’usure par fretting. Les connaissances sur le comportement de l’usure sous sollicitations dynamiques sont faibles. Seuls existent des outils numériques pour modéliser l’usure dans le cas de sollicitations quasi-statiques. Nous proposons dans cette thèse des méthodes pour calculer l’évolution de l’usure au cours des cycles de chargement dynamique basées sur une approche multi-échelle en temps. La réponse vibratoire de la structure est liée à une échelle de temps rapide qui est calculée par une méthode d’équilibrage harmonique, dans laquelle les déplacements et les efforts sont projetés sur la base de Fourier. Différentes approches temps-fréquence de calcul des coefficients de Fourier des forces de contact sont présentées. La cinétique d’usure est liée à une échelle lente et différentes méthodes sont proposées pour l’intégrer. La prise en compte des géométries usées dans le modèle éléments finis se fait par l’ajout d’un vecteur des profondeurs d’usure dans le terme de pénalité des lagrangiens dynamiques. Des exemples académiques valident et illustrent les méthodes proposées. Ces méthodes sont ensuite appliquées à l’étude de l’usure par fretting en pied d’aube de soufflante. L’étude numérique met en lumière le couplage entre vibration et usure par fretting aux interfaces de contact. La modification du comportement dynamique global de la roue aubagée est aussi observée. / The rotating parts of aeronautical turbomachineries are made of bladed disks which enable the transfer of energy from the air to the rotor. These bladed disks are especially critical parts because their dimensioning has to meet strict requirements in terms of aerodynamical performance, aeroacoustics and mechanical resistance to rotation, temperature and aerodynamical loads. The frictional contact at the interface between blade and disk has an important influence on the vibratory levels.This work deals with the study of fretting-wear in frictional interfaces under dynamical loading. Indeed,the blade’s vibrations can produce micro-slidings in blade’s root which may entail fretting-wear. Wear under dynamical loading is a badly known phenomenon. Numerical tools exist for quasic-static conditions only. Here,methods are proposed to quantify the evolution of wear along dynamical loadingcycles based on a time-multiscale approach. The vibratory response of the structure is linked with a fasttime scale which is calculated by a harmonic balance method : displacements and forces are expressed through Fourier series. Different frequency-time approaches are presented to compute the Fourier coefficients of contact forces. Wear kinetics is linked with a slow time scale and different methods are proposed to integrate it.Worn geometries are taken into account in the finite elements model by a wear depth vector included in the penalty term of dynamic lagrangians. Academic examples validate and illustrate the proposed methods. These methods are then used to study fretting-wear in a fan’s bladeroot. The numerical results highlight the coupling between vibration and fretting-wear in frictional interfaces.The modification of the global dynamical behaviour of the bladed disk is also observed.

La corrosion sous contrainte (CSC) est un phénomène synergique d'endommagement qui résulte d'un processus de corrosion (dissolution, adsorption) et d'une rupture mécanique (fissuration). Les mécanismes de couplage mécano-électrochimique en pointe de fissure nécessaires à la compréhension du phénomène sont encore mal connus puisqu'ils dépendent du système d'étude (métal/milieu agressif) et font intervenir de nombreux facteurs mécaniques et électrochimiques. Dans cette thèse, nous nous proposons d'étudier les interactions réciproques entre la dissolution et l'état de contrainte mécanique en pointe de fissure (facteurs d'intensité des contraintes) pour le cas du Zircaloy-4 en milieu aqueux halogéné. Les éprouvettes sont d’abord pré-fissurées par fatigue à l’air avec la technique du Load-Shedding, ce qui permet alors de maîtriser le facteur d’intensité des contraintes résiduel de pré-fissuration par fatigue. Ensuite, une pré-oxydation thermique est réalisée pour produire une couche de film passif sur les surfaces de l’éprouvette. Les réactions électrochimiques sont alors concentrées en pointe de fissure qui induit également une concentration des effets mécaniques. Des techniques de corrélation d'images sont développées dans le but d'identifier les facteurs d'intensité des contraintes et d'estimer la longueur de fissure en temps réel. Ainsi des essais originaux de CSC, permettant d'imposer les facteurs d'intensité en pointe de fissure, sont conduits et les résultats montrent alors clairement les effets synergiques entre l'évolution des mesures mécaniques et des courants de dissolution. D'autre part, l'existence d'un facteur d'intensité des contraintes seuil de propagation en CSC, présentant une forte dépendance à l'histoire de chargement et à la variation de l'état de contrainte locale en pointe de fissure (variation des facteurs d'intensité des contraintes), est mise en évidence. Ceci montre alors que la plasticité doit évoluer pour que la dissolution se produise. Ainsi, le temps caractéristique d'arriver de nouvelles dislocations en pointe de fissure ne doit pas dépasser la durée caractéristique des réactions de passivation. Enfin sur la base des résultats expérimentaux, un modèle de loi de propagation phénoménologique de fissure en CSC est proposé et ses paramètres sont identifiés et validés à partir de différents essais de CSC. / Stress corrosion cracking (SCC) is a damage phenomenon which results from the synergy between corrosion process (dissolution, adsorption) and mechanical fracture (crack propagation). Although this phenomenon is well known, its modelling is still a challenging issue, especially concerning mechano-electrochemical coupling mechanisms at crack tip, because it depends on model system (metal/aggressive media) and large number of mechanical and electrochemical factors. In this thesis, mutual interactions between dissolution and the stress state around the crack tip (stress intensity factor) are studied in the case of Zircaloy-4 in aqueous halide solution. Samples are first pre-cracked in air by using fatigue load-shedding procedure to control the stress intensity factor. Then, pre-oxidization is used to produce a thin protective passive layer on their surface. The electro-chemical reactions are thus concentrated at the crack tip which also induces a concentration of the mechanical effect. During the test, digital images of the sample surface are acquired. Digital Image Correlation is performed a posteriori in order to obtain the evolution of the crack length and the stress intensity factors. Further, a specific procedure is developed in order to perform the DIC analysis while the test is running. This allows to control the load so that a given value of the stress intensity factor is prescribed. With this innovative experimental technique, we perform experimental tests that allow to discriminate the effects between different stress corrosion cracking mechanisms. It is suggested that once a critical anodic polarization is exceeded, the crack growth rate depends on the stress intensity factor but also on its time derivative. Indeed, a threshold effect is obtained on the stress intensity factor, meaning that plasticity must increase for the dissolution reaction to occur, but also on its rate meaning that time for plasticity to produce new dislocations must not exceed the characteristic duration of the passivation reaction. A phenomenological crack propagation model is proposed and its parameters are then identified and validated from the experimental measurements during SCC tests.

Cette thèse concerne l’étude des contacts pivotants rencontrés à la conjonction collet-rouleau, entre la bague d’un roulement et le flanc d’un rouleau. L’orientation principale de l’écoulement du lubrifiant peut changer lorsque le contact est mis à l’oblique. Cette cinématique complexe influe sur le comportement du contact. Elle est donc étudiée par une approche duale, expérimentale et numérique. Le banc d’essai Tribogyr permet l’expérimentation du contact à l’échelle 1:1. Une méthode pour la mesure de l’épaisseur du film lubrifiant par interférométrie optique en lumière blanche a été développée sur le banc d’essai et rend possible la mesure d’épaisseurs entre 0 et 800 nm, avec une résolution de quelques nanomètres. La mesure des efforts dans le sens de l’écoulement montre des similitudes avec les contacts de type roulement-glissement bien que le coefficient de frottement soit globalement plus faible. Les efforts transverses ont des valeurs du même ordre de grandeur que les efforts longitudinaux. Ils sont dus au cisaillement transverse induit par le pivotement. Un modèle numérique a été développé dans le but de simuler ces contacts pivotants. Le modèle inclut le calcul des températures et la rhéologie non Newtonienne du lubrifiant dans une stratégie de résolution par éléments finis, totalement couplée. La validation avec des résultats expérimentaux issus de Tribogyr, en épaisseur de film et en frottement, a été effectuée. Il est montré que l’épaisseur de film chute lorsque le pivotement et l’obliquité cisaillent le fluide, entraînant des effets rhéo-fluidifiants et thermo-fluidifiants. En cas de fort pivotement, le lubrifiant sortant peut être réinjecté à nouveau vers l’intérieur du contact et les transferts de chaleur entre lubrifiant et solides en sont fortement perturbés. Une forte obliquité entraîne à la fois la formation d’une augmentation locale de l’épaisseur de film et peut aussi provoquer la sous-alimentation du contact. Plusieurs campagnes expérimentales couplées à l’utilisation intensive du modèle numérique ont permis de comprendre les phénomènes physiques entrant en jeu et de prévoir l’efficacité, en terme de pertes de puissance, d’un contact pivotant. / This thesis is devoted to the study of spinning contacts located in bearing between the roller-end and the ring flange. The main direction of the lubricant flow may change when the contact is subjected to skew. This complex kinematics influences the contact behaviour. A dual experimental-numerical approach is proposed to study this problem. The Tribogyr test-rig allows the experimentation of the contact at the 1:1 scale. A film thickness measurement method, based on white light interferometry, was developed on Tribogyr. This method allows the measurement of film thickness between 0 and 800 nm with an accuracy of a few nanometres. The measurement of forces in the main flow direction shows similarities with classical rolling-sliding contacts. However, the friction coefficient is globally lower as soon as spin is involved. Transverse forces are of the same order of magnitude as the longitudinal forces. This is due to transverse shearing caused by the spin. A numerical model has been developed for the simulation of these spinning contacts. The finite element model, which is based on a fully-coupled solving strategy, takes into account the temperature calculation and the lubricant non-Newtonian rheology. Its validation with Tribogyr experimental results in terms of film thickness and friction has been conducted. Spin and skew effects induce high shear-thinning and thermal-thinning of the lubricant that lead to a decrease of the film thickness. Under high spinning condition, the lubricant exiting the contact may be re-injected to the contact inlet. Consequently, the heat transfers between the lubricant and the solids in contact are modified. In contact subjected to high skew, a local increase (dimple) of the film thickness may occur. Important skew may also lead to starvation conditions. Many experimental campaigns, coupled with an intensive use of the numerical model, allowed to understand the physical phenomena involved as well as to predict the efficiency, in terms of power losses, of the spinning contacts.

Depuis plus d'un siècle, l’usure ondulatoire représente un des problèmes de maintenance les plus important pour les réseaux ferroviaires. Celle-ci est à l’origine d’émissions sonores incommodantes pour le voisinage et de vibrations structurelles pouvant réduire la durée de vie des infrastructures et matériels ferroviaires. Ce phénomène périodique présent à la surface des rails est intimement lié à la dynamique du contact roue-rail qui résulte des paramètres régissant le frottement, la dynamique du train et de la voie… Afin de mieux appréhender les conditions menant à l’apparition de l’usure ondulation, un modèle numérique a été proposé pour compenser l’impossibilité d’instrumenter localement et de façon fiable un contact roue-rail dynamiquement. Tout d'abord, un outil approprié a été choisi pour modéliser la dynamique du contact roue-rail afin de reproduire numérique de l’usure ondulatoire des voies rectilignes. Le code d'éléments finis dynamique implicite Abaqus a été choisi pour instrumenter numériquement localement le contact roue-rail. Ainsi, tant l'origine que l'évolution de l’usure ondulatoire dans des phases transitoires (accélération / décélération) sont étudiées. Une étude de sensibilité a été menée pour mettre en évidence la sensibilité de l’usure ondulatoire apparaissant dans des conditions transitoires au passage d’une ou plusieurs roues ainsi que d’un défaut géométrique présent à la surface du rail. Des conditions dynamiques locales d’adhérence-glissement (stick-slip), liées à la dynamique de la roue et du rail couplés par le contact, est identifié comme origine de l’usure ondulatoire des voies rectilignes dans des conditions transitoires. Deuxièmement, les résultats obtenues avec le modèles précédent ont mis en évidence une décroissance de l’amplitude de l’usure ondulatoire reproduire numérique en fonction du nombre de roue passant sur le rail. Ce résultat semble être en contradiction avec les observations de rails réels. Ce problème est lié à la difficulté de gérer la dynamique de contact, et tout particulièrement dans le cas où il y a des impacts locaux, dans les modèles éléments finis classiques tels que ceux implémentés dans Abaqus. Pour palier ce problème, une méthode de masser redistribuée a été implémentée dans Abaqus et utilisée sur le cas précédent. Les résultats montrent un accroissement plus réaliste de l’usure ondulatoire en fonction du nombre de roues. / For more than a century, rail corrugation has been exposed as one of the most serious problems experienced in railway networks. It also comes with a series of problems for maintenance, such as rolling noises and structural vibrations that can reduce lifetime of both train and track. This periodical phenomenon on rail surface is closely linked to wheel-rail contact dynamic, which depends on friction, train dynamics… To better understand corrugation birth conditions, a numerical model is suggested to complement the experimental limitations and to instrument a wheel-rail contact both locally and dynamically. At first, an appropriate tool was chosen to create the dynamic wheel-rail contact model to reproduce straight-track corrugation, also called “short-pitch” corrugation. The implicit dynamic finite element code Abaqus was chosen to investigate the dynamic local contact conditions. Both the origin and the evolution of straight-track corrugation under transient conditions (acceleration / deceleration) are studied. The parametrical sensibility of corrugation is thus investigated both with single/multiple wheel passing(s) and with geometric defect. A stick-slip phenomenon, linked to both wheel and rail dynamics coupled through the contact, is identified as the root of straight-track corrugation under transient conditions. Secondly, results obtained with the previous model have highlighted a quick decrease of corrugation amplitude with the increase of wheel passings over the rail. This last result seems to be in contradiction with reality. This problem comes from the difficulty to reliably manage contact dynamics, and particularly with local impacts, with the use of classical finite element models such as the one implemented in Abaqus. To compensate for this lack, a mass redistribution method is implemented in Abaqus and used with the previous case. The results show a more realistic corrugation growth according to the number of wheel passings.

Les garnitures mécaniques sont des composants d'étanchéité d'arbres tournants. Elles sont constituées de deux surfaces planes annulaires dont le contact est lubrifié par le fluide à étancher.L'opération de recherche « Jointlub » du département D3 de l'institut P' a développé des outils de simulation du comportement des garnitures par des méthodes analytiques, semi analytiques et numériques. En s'appuyant sur ces acquis, l'objectif de cette thèse vise à définir une méthodologie d'analyse préalable permettant l'optimisation de la modélisation du fonctionnement d'une garniture mécanique en fonction de la solution technologique choisie. Ceci consiste à proposer un procédé de choix d'outils de modélisation parmi les principaux types existants.Un ensemble d'indicateurs et de critères est développé afin de déterminer les phénomènes physiques prépondérants lors du fonctionnement d'une garniture dans des conditions données. Le modèle retenu pour la simulation devra prendre en compte les phénomènes identifiés.Des validations expérimentales ont été réalisées pour une garniture mécanique opérant dans différents régimes de fonctionnement. Une étude de l'évolution de la topographie des faces de frottement, du couple de frottement, du débit de fuite et du comportement thermique ont été effectués. Les expériences ont montré que le comportement des garnitures dépend fortement du régime de lubrification : mixte, hydrodynamique ou thermo-élasto-hydrodynamique.Les modèles théoriques ont été comparés aux résultats expérimentaux. Une bonne corrélation est obtenue dans leur domaine de validité, défini à partir des indicateurs. Des écarts plus importants sont observés lorsque les modèles sont utilisés dans des zones où ils ne prennent pas en compte l'ensemble des phénomènes physiques. Cette comparaison a montré que les indicateurs et critères de la méthode de choix proposée sont pertinents et permettent une bonne identification des phénomènes physiques à prendre en compte. / Mechanical face seals are sealing components for rotating shafts. It basically consists of two annular flat surfaces lubricated with a very thin film of sealed fluid.The "Seals lubrication" group of the Pprime institute has developed different modeling tools of mechanical face seals behavior by analytical, semi analytical and numerical methods. The objective of this thesis is to define a preliminary methodology to optimize the modeling of the mechanical seal taking into account the seal design. This analysis provides a suggestion of modeling tools among the existing types. A set of indicators and criteria are developed to determine the dominating physical phenomena during the operation of the seal under given conditions. The selected modeling tools should take into account the identified phenomena. Experimental validations were performed for a mechanical seal working in different operating conditions. Studies of the evolution of the friction faces topography, the friction torque, the leakage rate and the thermal effect were carried out. Experiments have shown that the behavior of the mechanical seal strongly depends on the lubrication regime: mixed, hydrodynamic and thermo-elasto-hydrodynamic.Theoretical models were compared with experimental results. A good correlation is obtained into their range of validity defined with preliminary analysis. Larger differences are observed when the models are used in conditions where unconsidered physical phenomena occur. This comparison showed that the indicators and criteria of the proposed method of choice are relevant and allows a good identification of the physical phenomena that should be taken into account.

Les alliages à base de Nickel constituent les meilleurs matériaux actuellement développés pour répondre aux sollicitations sous hautes températures dans les domaines de l’aéronautique du nucléaire etc… L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier leur comportement en température sous sollicitations de fretting usure. Dans cette étude, on s’intéresse à un contact René125/Waspaloy représentatif d’une application aéronautique. Dans un premier temps nous avons étudié l’effet de la température. On montre qu’à partir de 400°C, l’interface génère la formation d’une glaze layer lubrifiante qui réduit considérablement la cinétique de l’usure. En fixant la température à 700°C (température de l’application industrielle), nous avons étudié la stabilité de ces couches protectrices vis-à-vis de la pression de contact, de l’amplitude de glissement, de la fréquence et du nombre de cycle appliqués. Cette analyse montre une évolution bilinéaire de l’usure avec une usure initiale rapide liée à la formation de la « glaze layer » puis une usure additionnelle quasiment nulle dès que la « glaze layer » est formée. Ces travaux montrent que le volume d’usure associée à la formation de la « glaze layer » est fonction de la vitesse de glissement. Au dessus d’une vitesse seuil de glissement, la formation de la « glaze layer » protectrice devient plus difficile. Une courbe maîtresse est ainsi établie. Des analyses chimiques des interfaces associées à des essais interrompus ont permis d’établir le scénario de formation de ces glaze layers. Pour finir, une étude comparative des revêtements développés dans le cadre du projet INNOLUB a été menée de façon à sélectionner le revêtement offrant les meilleures propriétés tribologiques pour l’application étudiée. / Nickel based alloys are the most developed materials nowadays for applications at high temperature, as in aeronautics, nuclear…The aim of this study is to understand their behavior at high temperature under fretting wear solicitations. Thereby, we had focused on a tribosystem formed of Waspaloy/René 125, which represent the crankcase/blade contact of the low pressure Turbine. We started studying the temperature effect, it is been noticed that above T = 400°C, a lubricant tribofilm, called the Glaze Layer is generated at the interface of the contact, which enable an abrupt reduction in friction and wear rate. The temperature was than fixed at 700°C (service temperature), so the glaze layer stability was analyzed as a function of contact pressure, sliding amplitude, frequency and number of cycles imposed. This analysis shows a bilinear wear evolution, characterized by a fast initial wear related to the formation of the glaze layer, followed by almost no wear once the glaze layer is formed. This study showed that the wear rate related to the glaze layer formation is dependent of the sliding velocity. Above a sliding velocity threshold, the formation of a stabilized glaze layer is quite difficult. A Master curve is here established. Microscopic and spectroscopic investigations are conducted to analyze the interface based on interrupted tests of a very short duration. Leading to a precise description of the glaze layer formation mechanisms. At the end of this study, a comparative analysis of different coatings developed to improve these components behavior, in the framework of INNOLUB project was established, allowing choosing the coating offering the best tribological properties and lifetime.