L'utilisation des vis à rouleaux satellites au cœur d'actionneurs électromécaniques destinées aux commandes de vol nécessite une connaissance la plus précise possible de leur durée de vie suivant le profil de mission. Le calcul de durée de vie d’une vis à rouleaux dans les conditions aéronautiques nécessite des investigations à la fois en résistance (mécanique des contacts) et en fatigue. En résistance, il faut être en mesure de déterminer la répartition de charge dans le système, calculer les pressions de contact et les contraintes en sous-couche pour une charge donnée. En fatigue de contact, il faut, pour un spectre de charges, construire le trajet de chargement tout en prenant en compte le caractère multiaxial des états de contraintes. Moyennant des hypothèses simplificatrices pertinentes, l’étude en résistance de la vis peut être ramenée à celui d’un assemblage mécanique en mouvement stationnaire et à un secteur représentatif. Une analyse tridimensionnelle par éléments finis (EF 3D) nous a permis de cerner le comportement de la vis à rouleaux en statique. Les résultats issus de cette analyse sont ensuite confrontés à des tests de rigidité et ont montré la solidité de notre étude. Enfin, en se servant de ce modèle numérique comme référence, nous avons alors développé un outil de prédimensionnement basé sur le couplage de trois modules qui représentent des modèles semi-analytiques, robustes et ultra-rapides, pour réaliser des calculs en résistance et en fatigue. Le premier modèle est construit sur la base de modèles d’éléments finis filaires (EF 1D). Il sert à déterminer la répartition de charge (statique) dans le système pour n’importe quelle configuration géométrique ou de fonctionnement et pour toute charge axiale. Il permet ainsi de suivre la vis dans son déplacement axial et d’identifier les filets critiques pour chacun des composants de la structure. Le second modèle calcule les pressions de contact et les états de contraintes multiaxiaux, grâce aux méthodes combinées du gradient conjugué (CGM) et de la transformée rapide de Fourier (FFT). Le troisième module procède à une analyse en fatigue suivant trois critères : Crossland, Dang Van et Papadopoulos / The use of satellite roller screws in the core of electromechanical actuators for flight control requires knowledge as accurate as possible in their lifetime according to the mission profile. The calculation of life of a roller screw in aeronautical conditions requires investigations in both resistance (mechanical contacts) and fatigue. In resistance, we must be able to calculate to determine the load distribution in the system, calculate the contact pressures and the in-depth stresses for a given load. In contact fatigue, it is necessary to build for any spectrum loading the loading path taking into account the aspect of the multiaxial stresses. Owing to relevant assumptions, the study in resistance of the screw can be reduced to that of a sectorial mechanical assembly with stationary moving. A three-dimensional analysis based on the three-dimensional Finite Element (FEM 3D) allowed us to identify the behavior of the roller screw in static. The results of this analysis are then compared to stiffness tests and show the pertinence of our study as they were in good agreement. Finally, using this numerical model as a reference, we then developed a preliminary design tool based on the coupling of three modules that represent semi-analytical models, robust and ultra-fast, to perform the calculations in resistance and fatigue. The first model is based on finite element models wired (EF 1D) determines the distribution of load (static) in the system for any geometric configuration and operation and for any axial load. It thus makes it possible to follow the screw in its axial movement and to identify the critical nets for each component of the structure. The second model calculates the contact pressures and multiaxial stresses states, thanks to the combined conjugated gradient method (CGM) and the Fast Fourier Transform (FFT). The third module performs a fatigue analysis according to three criteria: Crossland, Dang Van and Papadopoulos

Les vis à rouleaux satellites (VAR) équipent certains actionneurs électromécaniques du secteur aéronautique, et permettent de transformer un mouvement de rotation en un mouvement de translation. Ces systèmes sont constitués d’aciers inoxydables martensitiques trempés, et sont habituellement lubrifiés à la graisse. Comme pour beaucoup d’autres pièces de roulement, l’adhésion-grippage peut survenir bien avant la durée de vie théorique calculée en fatigue de roulement. La charge actionnée par la vis est portée par un ensemble de contacts entre les filets de la vis, des rouleaux et de l’écrou. Chaque contact peut être décrit comme un contact de type ellipsoïde sur plan soumis à de fortes pressions de contact (3-4 GPa), et à une cinématique de roulement associée à une composante de glissement transverse (jusqu’à 10 % de taux de glissement). L’objectif de la thèse est de comprendre les mécanismes d’endommagement dans les VAR, d’étudier l’influence des paramètres de design et d’utilisation sur ces mécanismes au travers de paramètres tribologiques, et de proposer une ou plusieurs solutions permettant d’améliorer le comportement et la durée de vie. Le contact est simulé expérimentalement par un galet torique en roulement sur un disque plan. Un tribomètre rotatif est utilisé pour reproduire la cinématique de contact avec un glissement perpendiculaire au roulement. L’effort tangentiel transverse lié au glissement est mesuré, ainsi que la vitesse de roulement du galet. Une caméra et un microscope installés au-dessus du disque permettent de réaliser un film image par image de l’évolution de la piste usée au cours des essais. Le comportement du contact acier / acier sans lubrification est d’abord étudié, et montre une usure adhésive catastrophique dès les premiers cycles. Plusieurs aspects du comportement en contact lubrifié à la graisse sont alors étudiés, en particulier les mécanismes d’alimentation spécifiques liés au glissement transverse, ainsi que les degrés d’instabilité de la sous-alimentation qui peuvent être cartographiés en fonction des paramètres d’entrée (pressions, vitesse, taux de glissement). Un revêtement couche mince du type WC/C est également étudié en remplacement de la graisse. L’étude de son comportement montre une étape de rodage importante puis une phase de bas frottement, qui se termine par une phase d’endommagement par usure abrasive. Un endommagement secondaire du revêtement lié à la fatigue de contact a également été identifié, et les conditions de son apparition par rapport aux conditions de sollicitation ont été cartographiées. L’analyse des résultats expérimentaux obtenus permet de proposer des pistes pour le design et le choix des matériaux pour améliorer le comportement et la durabilité des VAR. / The planetary roller screw (PRS) mechanism is used in the aeronautics industry for electro-mechanical actuators application. It transforms a rotational movement into a translation movement, and it is designed for heavy loads. The main components are made of martensitic stainless steels, and lubricated with grease. Like most usual rolling mechanisms, smearing and jamming can occur before the theoretical fatigue lifetime, especially in poor lubrication conditions. The actuated load is carried by small contacts between the threads of the screw, the rollers and the nut. The static single contact can be described as an ellipsoid on flat contact with high contact pressure (3-4 GPa). The motion consists of rolling with spin associated with side slip (up to 10 %). The aim of this PhD work is to investigate the wear behavior for different operating and design parameters of PRS such as load, speed, slip ratio, lubrication and material structure, in order to improve behavior and lifetime of PRS. The contact is experimentally simulated by a free rolling roller loaded on a rotating disk. A specific tribometer is used to create a contact with a side slip component, i.e. perpendicular to the rolling direction. The roller rolling speed and the tangential force generated by the slip ratio are measured. Also, an optical device is set on the tribometer to make a film of the evolution of the track outside of the contact. Steel on steel wear behavior is first presented. Then, several aspects of the greased lubricated contact are studied such as the feeding mechanisms related to the specific kinematics, and susceptibility to smearing in relation with tests input parameters. The feeding mechanisms are mapped as a function of input parameters (contact pressure, rolling speed, and sliding ratio). The wear behavior of hard carbon-based coatings with and without grease is also investigated. It shows good performance for the roller-screw application. The coating lifetime is governed by a three-body wear mechanism, but the experiments also reveal a progressive cracking in the rolling direction, i.e. perpendicular to the sliding direction. Lastly, a wear mode map is proposed to illustrate the competition between the two damage modes depending on the tests input parameters. The analysis of experimental results allows us to propose ways to improve the design and the selection of materials in order to increase the behavior and the durability of PRS.

L’industrie aéronautique fait face à trois enjeux majeurs : la réduction de son empreinte environnementale, l’absorption de l’augmentation du trafic et le maintien d’un haut niveau de sécurité pour des systèmes de plus en plus complexes, à coûts équivalents. La maintenance prédictive permet de répondre en partie à ces trois enjeux. Les systèmes, dont on peut prédire la durée de vie peuvent être utilisés plus longtemps, ce qui diminue le nombre de composants utilisés sur la vie d’un avion. Prédire les pannes permet également d’augmenter la disponibilité des aéronefs en évitant les arrêts non planifiés. Enfin, le suivi de l’état de vieillissement de l’avion permet d’optimiser la maintenance et ainsi de réduire les coûts. Dans les années 2000, ces méthodologies ont été appliquées sur les moteurs. Elles commencent maintenant à se généraliser aux autres systèmes avioniques. Ainsi cette thèse concerne la mise au point de méthodologies amenant à la maintenance prédictive d’actionneurs électro – mécaniques (EMA) de commande de vol. Les problématiques et les contraintes (temps de calculs, quantités de mémoire…) liées à cette thématique sont détaillées. Dans un premier temps, le calcul de signatures de défauts est abordé. Une méthode pour les systèmes visécrou, basée sur l’identification d’un modèle de frottement, est proposée. Une deuxième méthode, reposant sur l’analyse des courants à partir d’une combinaison de décomposition modale empirique ensembliste complète et d’analyse aveugle de sources, est ensuite introduite. Ces deux méthodes sont testées sur des données issues de profils non opérationnels. Ces données sont issues d’un modèle de simulation représentant finement l’actionneur dans son environnement. L’ensemble des simulations représente des essais virtuels sur une population d’EMA. A partir de ces simulations, les signatures mises au point sont calculées. Puis, afin de valider ces signatures, des métriques de performances sont calculées. Le diagnostic par reconnaissance de formes est ensuite traité. Un algorithme reposant sur une combinaison de machine à vecteur de supports et de fonctions floues d’appartenances est proposé. Celui-ci peut notamment estimer la sévérité d’un défaut. Il permet également de détecter des points ne correspondant pas à la base d’apprentissage, qui peuvent représenter des défauts inconnus ou des points appartenant à plusieurs classes à la fois, pouvant représenter des cas de défauts combinés. L’architecture d’un système de diagnostic complet, basée sur l’algorithme conçu, est détaillée. Des validations expérimentales des méthodes de calcul de signatures et de diagnostic sont ensuite menées. Ces validations reposent sur trois bases issues de trois campagnes d’essais. La première repose sur des essais d’un EMA sain sur un banc représentatif. La deuxième concerne un moteur asynchrone en défaut en régime permanent. La dernière porte sur un moteur synchrone à aimants, de type aéronautique, en défaut de courtcircuit inter-spires en régime permanent. Le respect des contraintes par l’algorithme est vérifié. Enfin, des éléments pour aller vers le pronostic sont avancés. Le processus du pronostic est détaillé. Seule une partie de ce processus est traitée, sur des données issues de vieillissement de roulements. Dans un premier temps, le partitionnement de données de vieillissement pour créer des classes de sévérité de défaut est étudié. Cette tâche a amené à proposer une métrique, dite de cohérence temporelle, permettant de vérifier qu’un résultat de partitionnement satisfait aux contraintes pour le pronostic. Puis l’algorithme de classification proposé est validé sur les données partitionnées. Ceci amène à distinguer deux méthodes de validation, une approche dite diagnostic et une dite pronostic. Une méthode de normalisation, pour l’approche pronostic, est proposée. La prédiction des signatures dans le futur est ensuite traitée. Un algorithme de régression par vecteurs de support est utilisé [etc...] / The aeronautics industry is facing three major challenges: the reduction of its environmental impact, the absorption to the air traffic increase and a high level of safety for increasing complex systems, for equivalent costs. Predictive maintenance allows answering to these issues. Systems, for which the life can be predicted, can be used for a longer time. This reduces the number of components used in the lifetime of an aircraft. To predict failures also allow increasing the availability of aircrafts by avoiding unplanned downtime. Finally, monitoring the ageing of the aircraft allows to optimize maintenance and so to reduce costs. In the 2000s, these methodologies were applied to turbojets. It starts, now, to be generalized to others avionics systems. Therefore, this work deal with predictive maintenance methodologies for electromechanical actuator (EMA) for flight controls systems. Problems and constraints (computation time, memory quantities…) related to this subject are detailed. In a first part, fault feature computation methodologies are investigated. A first method is proposed for screw/nut systems. This method is based on the identification of a friction model. A second method, based on current analysis, is presented. This method uses a combination of empirical mode decomposition and independent component analysis. The two methods are tested on data from a non-operational profile. This data are from a simulation model which represents the EMA in the aircraft environment. The simulations performed represent virtual trials on a population of EMA. From these simulations, fault features are computed. Then, performances metrics are evaluated. Diagnosis by pattern recognition is then studied. An algorithm based on support vector machine and fuzzy membership functions is proposed. This algorithm can estimate the severity of a fault. It can also detect unknown observations, which can represent unknown faults or combined faults. The architecture of a global diagnosis system, based on the proposed algorithm, is detailed. Experimental validation of fault features computation and diagnosis algorithm is performed. These validations are based on three data bases. The first one is based on trials performed on a healthy EMA on a representative bench. The second consists in an induction motor at constant speed for different types of faults. The last one is from trials on a permanent magnet synchronous machine, of aeronautics type, for different kinds of short – circuit fault severities. The respect of the aeronautics constraints is verified. At last, elements for prognosis process are given. This process is detailed. Only a part of this process is treated, on a roller bearings benchmark database. First, the clustering for prognosis is studied. A metric, which allows verifying that the obtained clusters are coherent regarding time, and thus, checks the constraints for prognosis, is given. Then the proposed diagnosis algorithm is validated on the clustered data. This brought to perform two kinds of validation, a diagnosis oriented one and a prognosis oriented one. A method to normalize data for the prognosis oriented validation, based on sigmoid function, is given. The prediction of the features in the future is studied. A regression algorithm based on support vector regression is used. Finally, the diagnosis algorithm is applied to the predicted data. This allows to estimate the end of life, and so the remaining useful life for a given time. These estimations are evaluated regarding different kinds of performance metrics and regarding the constraints of the aeronautics applicative field

Les vis à rouleaux convertissent la rotation en translation de manière très efficace et sont utilisées dans des nombreuses industries. Mais même s'il présente beaucoup d'avantages, le mécanisme reste complexe et relativement difficile à comprendre. Le principal but de cette thèse est de quantifier la puissance dissipée par les vis à rouleaux standard et inversées, qui est un résultat important pour toute étude liée à l'efficacité ou la distribution de température. De plus, il s'agit d'un critère de conception dans le choix de paramètres optimaux pour une certaine application. À cause des travaux peu nombreux en termes de recherche et des hypothèses restrictives faites dans la littérature courante, ce mémoire commence avec une analyse géométrique de base du mécanisme et envisage de généraliser les équations des surfaces filetées pour les différents types de profils et conditions de jeu. La position des points de contact peut ensuite être déduite avec un algorithme de type Newton-Raphson très rapide. Cette information est cruciale pour toute étude ultérieure de force. Après, les équations classiques de Hertz sont adaptées à des contacts peu conformes pour déterminer la forme, les dimensions et l'orientation des ellipses de contact rouleau-vis et rouleau-douille. Il est prouvé que les directions principales de courbure obtenues ici par géométrie différentielle sont différentes de celles supposées dans les précédents travaux de recherche. Ensuite, la cinématique du mécanisme est étudiée avec un modèle stationnaire, qui établit des liens entre les mouvements uniformes de tous les composants et permet de calculer d'une manière simplifiée le champ de vitesse de glissement en tout point de l'aire de contact. Le mouvement local apparaît comme une combinaison de spin et de glissement uniforme. Le modèle est calibré sur un seul degré de liberté qui prend la forme d'un quotient de glissement, qui dépend de conditions de lubrification et équations d'équilibre dynamique. Un banc expérimental est conçu pour mesurer ce quotient et permettre donc la comparaison avec des valeurs numériques, ainsi que les quelques modèles analytiques disponibles dans la littérature. Les résultats montrent que les mesures sont très proches des conditions de fonctionnement idéales, ce qui fait que les propriétés du lubrifiant et les coefficients de frottement deviennent les paramètres les plus influents dans le peu de marge disponible pour l'amélioration cinématique. Finalement, un modèle numérique en forces est développé et permet de calculer la puissance dissipée pendant l'équilibre stationnaire. L'algorithme itératif détermine d'abord le quotient de glissement atteint à l'équilibre et utilise ensuite le résultat pour déduire les autres variables cinématiques et dynamiques liées au calcul. Une étude paramétrique est réalisée dans le but d'identifier les facteurs importants pour l'efficacité et la puissance dissipée, ainsi que leur contribution relative. / Roller screws are highly efficient rotation-translation converters used in a variety of industries. Despite its numerous advantages, the mechanism remains complex and rather difficult to understand. The main goal of this thesis is to quantify the amount of power dissipated by standard and inverted roller screws, which is an important result for any study related to efficiency or temperature distribution. Furthermore, it is used as a design criterion in choosing optimal parameters for a given application. Due to the limited amount of available research and the restrictive assumptions made in current literature, this memoir starts with a basic geometric analysis of the mechanism and attempts to generalize threaded surface equations for different types of profiles and backlash conditions. The contact point locations can then be deduced using a very fast Newton-Raphson algorithm. This information is crucial for any subsequent force analysis. Classic Hertzian equations are then adapted to slightly conforming contacts in order to calculate the shape, size and orientation of the roller-screw and roller-nut contact ellipses. It is shown that the principal directions of curvature obtained here by differential geometry are different from the ones assumed by previous research. Next, the mechanism kinematics is investigated using a stationary model, which relates the steady-state movement of all the different components and allows a simplified calculation of the sliding velocity field at any point within the contact areas. The local motion proves to be a combination of spin and uniform sliding. The model is set to have only one degree of freedom in the form of a slip ratio, which depends on lubrication conditions and force balance equations. An experimental setup is designed to measure this ratio and thus allow comparison to numerical values, as well as the few analytical models available in the literature. Results show that measurements are very close to ideal operating conditions, which makes lubricant properties and friction coefficients the most influential parameters in the little room available for kinematic improvement. Finally, a numerical force model is developed, which calculates the power dissipated during the steady-state regime. The iterative algorithm first determines the value of the slip ratio reached during stationary equilibrium and then uses the result to deduce the other kinematic and dynamic unknowns involved. A parametric study is conducted to identify the important factors in efficiency and power dissipation, as well as their relative influence.