<p>Lubrication and friction of modern rolling element bearings were investigated to develop a physics-based bearing friction model. A test rig was designed and developed to measure the frictional torque of radially loaded rolling element bearings with oil bath lubrication. Deep groove ball bearings and radial needle roller bearings were studied at various loads, speeds and lubrication conditions. Experimental results indicate that bearing friction models currently used in industry can be inaccurate, especially when predicting bearing fluid drag losses. A separate test rig was designed and developed to investigate the lubrication and friction of rolling element bearing cage pockets, as new cage pocket designs could improve bearing efficiency. Cage pocket oil starvation was observed for certain operating conditions, and the starvation was found to correlate strongly with cage pocket friction. In order to better understand friction and lubrication characteristics of bearings, computational fluid dynamics (CFD) models were developed to compare with the experimental results. Fluid motion inside the rolling element bearings was investigated using CFD to determine fluid drag torque of bearing components. Fluid drag torque obtained from CFD and experimental measurements are in good agreement. Results from the CFD models also included pressure distributions over bearing surfaces and fluid velocity near rolling elements, but were limited to global length scales. At the micro-scale, rolling element bearing lubrication and friction is dictated by elastohydrodynamic lubrication (EHL). The radial needle roller bearings and deep groove ball bearings used in this investigation are characterized by line and elliptical contacts, respectively. EHL modeling was therefore developed for line contacts with a strongly coupled fluid solid interaction (FSI) solver. Solid bodies were modeled with finite element (FE) software to incorporate inhomogeneities such as inclusions and surface features which affect EHL pressure, film thickness and friction. Results were used to investigate lubricant film thickness at lubricated line contacts under various operating conditions. This work was further extended to model EHL circular contacts with an FSI approach, combining CFD and FE software. The newly developed FSI EHL model provided critical insights regarding fluid behavior in and around EHL point contacts and fluid properties within the lubricant film. Given the modeling results at the micro and macro scale within the rolling element bearings, a better understanding of bearing friction and lubrication is developed, and supported by experimental data.</p>

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Radial lip seals are used to prevent leakage between machine elements in many industrial applications. During operation, fluid film between seal lip and shaft surface generates a pressure distribution on the lip which is elastically deformed due to hydrodynamic pressure. Surface roughness parameters in terms of moments of height profile distribution (rms roughness, skewness and kurtosis) affect the rate of oil leakage. A computer program is developed for elastohydrodynamic analysis of radial lip seals. Both the fluid mechanics of the lubricating film and the elastic deformation of the lip are taken into consideration to determine the hydrodynamic pressure distribution and the oil flow through the seal lip. The effect of shaft surface roughness on hydrodynamic analysis is taken into account by using average Reynolds equation with flow factors. For non-Gaussian surfaces, the modified flow factors are used to investigate the effects of skewness and kurtosis on the oil leakage. Numerical tests are performed for different skewness, kurtosis and initial seal tightness values. Results show that when a seal is mounted with a high initial tightness, the hydrodynamic pressure developed is not enough to deform the lip to form a fluid film between the shaft and the seal lip. It is observed that for the same rms roughness and skewness, the side flow rate increases as the kurtosis value increases. However, for the same rms roughness and kurtosis values, the side flow rate decreases for all skewness values.

Le développement de lubrifiants à haute valeur ajoutée subissant des conditions opératoires de plus en plus draconiennes, économes en carburant et performants pendant une longue durée reste un défi considérable pour les fabricants d’huiles. Cette thèse concerne l’étude du rôle et des actions des améliorants d’indice de viscosité (ou Viscosity Index Improvers (VII)) dans les lubrifiants moteurs. Le premier objectif visé dans ce travail est la caractérisation des comportements rhéologiques et la modélisation de la viscosité en fonction de conditions réelles de température, pression et contrainte de cisaillement pour des solutions d’huile de base et de polymère sans additifs fonctionnels. Plusieurs polymères (PAMA, OCP et PISH) de masses moléculaires et conformations (peigne, linéaire et étoile) différentes sont utilisés à 1,2% en masse dans une huile de base minérale hydrocraquée. L’originalité de la thèse réside dans l’utilisation de rhéomètres non-commerciaux à haute pression (jusqu’à 800 MPa). Un deuxième défi réside dans la compréhension de la relation entre la réponse rhéologique des lubrifiants automobiles simplifiés et les mécanismes présents à l’échelle moléculaire en explorant les notions de conformation, de solubilité et de rayon hydrodynamique grâce à l’extension de la loi d’Einstein à haute pression. Enfin, l’étude se concentre sur le lien entre rhéologie et tribologie et par extension, entre la composition chimique du lubrifiant et la tribologie. Les épaisseurs de film sont mesurées et comparées avec les prédictions analytiques de Hamrock-Dowson et avec les simulations numériques basées sur l’équation de Reynolds généralisée en incluant les modèles rhéologiques. Les données expérimentales et numériques sont en adéquation. / The development of high value-added lubricants overcoming more and more drastic operating conditions, fuel-efficient and providing excellent performance during a long time remains a huge challenge for oil makers. This thesis is dedicated to the study of the role and the actions of Viscosity Index Improvers (VII) in engine lubricants. The first objective targeted in this work is the characterization of the rheological behaviors and the modeling of viscosity in function of realistic conditions of temperature, pressure and shear stress for polymer-thickened base oil solutions without functional additives. Several polymers (PAMA, OCP and PISH) with different molecular weights and conformations (comb, linear and star) are used with a concentration of 1.2% (w/w) in a hydrocracked mineral base oil. The originality of the thesis lies in the use of non-commercial rheometers under high pressure (up to 800 MPa). A second challenge is the understanding of the relationship between the rheological response of simplified engine lubricants and the mechanisms occurring at the molecular scale by exploring the notions of conformation, solubility and hydrodynamic radius by the extension of the Einstein’s law at high pressure. Finally, the study focuses on the link between rheology and tribology and by extrapolation, between the chemical composition of the lubricant and tribology. The film thickness is measured and compared with the Hamrock-Dowson analytical predictions and with the numerical simulations based on the generalized Reynolds’ equation including the rheological models. Both experimental and numerical data are in good agreement.

This diploma thesis is engaged in calculation of contact pressure from thickness of lubricating film using Finite Element Method (FEM). Within my diploma thesis were performed the calculations concerning to non-conformal surfaces with a view to elastohydrodynamic lubrication. The simulations were done for disk and ball contact, respectively with burnished finish and also with surface which contains small dent. Flow diagram was designed so that the creation of geometry, boundary conditions and results saving is controlled parametrically. With using parameters it is possible to repeat the calculation when the resolution, geometry, etc. will be changed.

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Quelques développements sont démontrés dans cette thèse, du modèle de contact au modèle de roulement et du modèle de roulement-rotor à la technique de reproduction par bancs. Tout d’abord, la méthode de perturbation est étendue afin de prouver que la rigidité et l’amortissement distribués en état stable EHL ne remplissent pas les conditions transitoires et que les coefficients intégrés ne sont pas appropriés pour les analyses dynamiques. La loi de distribution de la rigidité et l’amortissement du film d’huile de l’EHL est proposée. En combinant l’état initial d’une solution stable avec l’amortissement et la rigidité distribués de l’EHL transitoire, les comportements du film d’huile peuvent être prédits. Par la suite, l’effet du contact en bordure entre le cylindre et le courant est pris en compte dans les transmissions de roulement. Les méthodes d’approximation première et seconde sont proposées pour interpréter numériquement cet effet. La méthode d’approximation première se concentre sur l’adoption de la méthode du coefficient d’influence pour reproduire l’effet de contact de même que l’utilisation du procédé de normalisation pour respecter les résultats empiriques ; alors que la méthode d’approximation seconde se concentre sur une manière analytique rapide de décrire la pression Hertz au contact entre le cylindre et le courant. Ensuite, les matrices de roulements pratiques sont utilisées pour développer un code de dynamiques 3D du roulement-rotor, basé sur des formules Hertz et EHL classiques. En temps-domaine, la méthode Adams quatre-ordres est améliorée pour résoudre les équations incrémentées des dynamiques non-linéaires. En fréquence-domaine, la méthode analytique de HB-AFT est particulièrement employée pour combler des matrices de roulement en 3D et des solutions d’état stable 3D. De plus, la méthode de continuation arc-longueur augmente la vitesse de calcul. En utilisant les deux méthodes, certains facteurs peuvent être considérés qualitativement et quantitativement, en incluant les états initiaux, l’amortissement, l’excentricité et les tensions internes et externes. Enfin, une technique alternative est proposée pour reproduire les comportements de contact à l’intérieur des roulements sous une forte charge et des vibrations à haute fréquence, lorsque les paramètres actifs sont en sous capacité du banc. Cette thèse apporte des visions nouvelles mais simples sur ce qui se produit sur les contacts roulants et longitudinaux d’un roulement circulaire ; sur comment modéliser et résoudre le système non-linéaire de roulement-rotor en domaines à la fois temps et fréquence ; et sur le moyen de reproduire des conditions de contact extrême à l’intérieur des roulements. / Some developments on bearing applications are emphasized in this thesis, from contact model to bearing model, and from bearing-rotor model to bench reproduction technique. First, perturbation method is extended to prove that steady-state EHL distributed damping and stiffness do not satisfy the transient conditions, and steady-state EHL lumped coefficients are not suitable for dynamic analysis. Distribution law of EHL oil film damping and stiffness is attemptly proposed. Combining initial state of steady-state solution with transient EHL distributed stiffness and damping, dynamic behaviors of oil film are predicted. Second, edge effect of roller/race contact is considered in bearing transmissions. First and second approximation methods are proposed to numerically interpret this effect. First approximation method concentrates on adopting influence coefficient method to replay edge effect as well as using normalization process to respect empirical results, while second approximation method focuses on a fast-analytical manner of describing Hertz pressure inside roller slice. Third, practical bearing matrices are used to develop 3D bearing-rotor dynamics code, based on classical Hertz and EHL formulas. In time domain, four-order Adams method is improved to solve incremental nonlinear dynamics equations; In frequency domain, analytical method of HB-AFT is particularly employed to bridge 3D bearing matrices and 3D steady-state solutions, besides, arc-length continuation method increases calculation speed. Using both methods, some factors can be considered qualitatively and quantitatively, including initial states, damping, eccentricity, internal and external excitations. Last, an alternative technique is proposed to reproduce contact behaviors inside bearings under heavy loading and high-frequency vibrations, when working parameters are beyond bench capacity. This thesis gives new but simple insights into what happens to rolling and longitudinal contacts of bearing roller, how to model and solve nonlinear bearing-rotor system in both time and frequency domains, and where a way is to reproduce extreme contact conditions inside bearings using bench.

La tête de bielle n'est pas un solide mono-corps mais un solide multi-corps. Le serrage non-adapté des vis d'assemblage et les discontinuités des solides peuvent produire des phénomènes indésirables comme le glissement du coussinet dans son logement. Malgré des logiciels de calculs performants permettant de prédire le comportement des paliers il existe encore de nombreuses avaries notamment liées aux contacts entre le coussinet et son logement. La difficulté de la modélisation du contact coussinet/logement réside principalement dans l'interaction entre les différents solides et les conditions de fonctionnement. Cette étude propose une solution pour analyser ce problème par couplage entre un logiciel de calcul élatohydrodynamique (ACCEL) et un logiciel permettant le calcul du contact avec frottement entre les coussinets et le corps de bielle (ABAQUS). Après une étude bibliographique des études antérieures dédiées à la modélisation numérique et expérimentale des paliers de tête de bielle, la première partie est dédiée à une description des modèles numériques utilisés pour prédire le comportement élastohydrodynamique de paliers lubrifiés ainsi que les techniques employées pour étudier le contact sec avec frottement en mécanique. La deuxième partie présente la solution adoptée pour réaliser le couplage entre le logiciel ACCEL et le logiciel ABAQUS. Le modèle a été premièrement validée dans le cas d'un palier soumis une charge tournante. Par la suite, plusieurs calculs paramétriques, réalisés sur un cas type de palier de tête de bielle, nous ont permis de montrer l'influence des conditions de fonctionnement (diagramme de charge, vitesse de rotation, etc.) ainsi que d'autres caractéristiques de la bielle (coefficient de frottement, épaisseur du coussinet, etc) sur le comportement du palier et plus précisément sur le glissement relatif entre les coussinets et le corps de bielle. / The connecting rod is not a single body but a multi-body solid. A non-appropriate screw tightening, coupled with the solid discontinuities, can lead to undesirable phenomena such as the rotation of the shell in its housing. Despite modern numerical tools, capable to predict the bearing EHD behaviour, there are still many damages related to cumulative microslip between the bearing shell and the conrod body. The difficulty of modelling the shell/conrod contact is mainly due to the interaction between the solids and the operating conditions. This study presents a solution to analyse this problem, by coupling an elastohydrodynamic (EHD) software (ACCEL) with a commercial software (ABAQUS) able to predict the frictional contact between the shell and the conrod. After a literature review of previous studies dedicated to the numerical and experimental modelling of connecting rod bearings, the first part is dedicated to a description of the numerical models used to predict the EHD behaviour of lubricated bearings. Follows the presentation of the techniques used to study the dry frictional contact mechanics. The next part presents the adopted solution used to couple the two software. The model was first validated in the case of a bearing submitted to a rotating load. Subsequently, several parametric calculations are presented. We were able to show the influence of the operating conditions (load diagram, velocity,...) as well as other characteristics of the conrod (friction coefficient, thickness of the shell, etc.) on the performances of the bearing and more exactly on the microslip between the shells and the conrod body.

Les lubrifiants à base aqueuse sont très largement utilisés dans les procédés de mise en forme des métaux comme le tréfilage, car ils combinent d’excellentes capacités calorifiques à de bonnes propriétés tribologiques. Pour répondre à des exigences d’augmentation de la productivité, la compréhension des mécanismes de lubrification est nécessaire. L’objectif de ces travaux est d’établir le lien entre l’organisation des molécules en solution dans le lubrifiant et son pouvoir lubrifiant. La démarche expérimentale consiste à déterminer les propriétés structurales et tribologiques d’un système modèle aqueux, composé d’acides gras et d’éthylène diamine, principaux ingrédients des lubrifiants. Le diagramme de phases du système modèle est établi en s’appuyant sur des techniques de microscopie optique de polarisation, diffusion des rayons X aux petits angles (DXPA) et cryofracture. Pour un rapport molaire entre la diamine et les acides gras supérieur à 1, une succession de phases lamellaire, hexagonale et micellaires, biréfringente sous écoulement et isotrope, est observée avec la dilution. Une attention particulière est accordée à la phase lamellaire qui présente des défauts à l’approche de la transition vers la phase hexagonale. Les analyses réalisées en DXPA, cryofracture et RMN relient leur existence à une modulation de l’épaisseur de la bicouche et une augmentation de la courbure liées au couplage entre les acides gras et les contre-ions amines. Les propriétés lubrifiantes de l’ensemble de ces phases sont également comparées à l’aide d’un tribomètre qui réalise un contact entre un disque et une bille sous une cinématique de contact contrôlée, en régime de lubrification élastohydrodynamique. En plus des mesures de frottement, l’observation simultanée du contact permet de suivre la formation du film lubrifiant entre les surfaces et son évolution. L’influence de l’organisation supramoléculaire du lubrifiant sur son comportement est mise en évidence : les échantillons présentant une organisation lamellaire fournissent les meilleurs résultats en termes de réduction du frottement. L’organisation en bicouches de la phase lamellaire au sein du contact et ses propriétés piézovisqueuses peuvent expliquer sa portance accrue et sa prédisposition naturelle à la réduction du frottement. / Water based lubricants are widely used in metal forming processes due to their good cooling and lubrication capabilities. The understanding of the lubrication mechanisms is necessary to improve the current lubricant efficiency. The goal of this work is to correlate the structural properties of the lubricant to its lubricating behaviour. As mixtures of ethylene diamine and fatty acids in water are some of the main ingredients of such lubricants, their phase behaviour and tribological properties are investigated for different compositions. The phase diagram of the model system is established by using optical microscopy of polarisation, small angle X-rays scattering (SAXS) and freeze-fracture transmission electron microscopy (FF-TEM). For a molar ratio between diamine and fatty acids upper to 1, a succession of lamellar, hexagonal and micellar phases is observed with the dilution. A particular attention is turned to the lamellar phase which presents defects close the transition towards the hexagonal phase. According to SAXS, nuclear magnetic resonance and FF-TEM analyses, we propose that their existence is due to a modulation of the bilayer thickness and an increase of the curvature resulted from the evolution of the coupling between the fatty acids polar heads and the amine counter-ions. The lubricating ability of these phases is then investigated experimentally using an EHL tribometre that simultaneously enables contact visualisation, film thickness and friction measurements in controlled kinematic conditions. The influence of the lubricant structure on its tribological behaviour is revealing: the lowest friction coefficients are obtained with lamellar samples. The organisation in bilayers of the lamellar phase within the contact and its piezoviscous properties can explain its greater load-bearing capacity and its natural predisposition to the reduction of the friction.

This diploma thesis deals with the study of film formation in compliant contact. Primary attention is dedicated to the influence of the entrainment speed and slide-to-roll ratio (SRR) on the central film thickness. Based on a research study of the available experimental methods, the fluorescence microscopy was used to achieve the aim of the work. Experiments were realized in ball-on-disk configuration. Firstly, a validation of the method was performed where the solid contact of the ceramic ball and the glass disk was analyzed. Since the measured values were in a good agreement with the theoretical prediction, a ball of NBR rubber material, which is commonly used for production of lip seals and o-rings, was subsequently used. The experimental measurements were performed under pure rolling and rolling/sliding conditions when the entrainment speeds varied in the range from 10 to 400 mm / s. A constant load of 0.2 N was applied. The measured data were then compared to the theoretical predictions for compliant contacts. The results showed that the thickness of the lubricating film gradually increases with increasing entrainment speed, which corresponds to theoretical assumption. Against expectations, evident influence of SRR on the film formation has been observed. In the last part of the thesis the measured data are confronted with previously published studies. Finally, some limitations of this study are discussed and recommendations for further improvement of the used experimental method are suggested.