Un modèle de trains planétaires est proposé afin de tenir compte de l’influence d’erreurs de position et d’excentricités en lien avec d’éventuels montages ‘flottants’ sur le comportement dynamique d’une transmission. La formulation théorique repose sur le formalisme des torseurs de déplacements infinitésimaux pour simuler à la fois les erreurs géométriques et les degrés de liberté du modèle. Une des propriétés principales de cette approche est que la géométrie des engrènements et les excitations correspondantes sont couplées aux degrés de liberté, conduisant ainsi à des excitations complexes présentant des modulations d’amplitude et de phase. Les résultats de simulation sont comparés avec des mesures sur banc d’essai et un très bon accord est obtenu en terme de partage de charge entre les satellites, validant ainsi le modèle de contact développé. Enfin, des résultats d’études paramétriques portant sur le rôle de certaines erreurs ainsi que sur l’apport éventuel de solaire et/ou satellites flottants dans des applications grandes vitesses concluent ce travail de thèse. / A dynamic model of planetary gears is presented which accounts for planet position errors and eccentricities for either rigid mounts or floating members. The theoretical formulation relies on infinitesimal generalised displacement screws which can simulate both errors and deflections. A unique feature of this model is that mesh properties (geometry and excitations) are coupled with the degrees-of-freedom thus leading to complex frequency and amplitude modulated excitation sources. For a number of planetary gears, it is found that the simulated load sharing between the planets compare well with the experimental evidence thus validating the contact modelling strategy. Finally, the results of extensive parameter analyses are displayed which illustrate the role of certain errors along with the interest and drawbacks of floating sun-gears or planets in high-speed applications.

La détection et le diagnostic des défauts d’engrenages ont été traditionnellement basés sur l'analyse des signaux vibratoires et acoustiques. Mais, ces méthodes peuvent être coûteuses suite aux difficultés techniques de mise en œuvre de capteurs sur des pièces en rotation. Dans ces travaux de thèse, une méthode originale de détection de défauts locaux dans des engrenages entraînés par des moteurs électriques est proposée en se basant sur le suivi des courants statoriques. Le système électromécanique est simulé numériquement en combinant un modèle électrique dynamique de moteurs asynchrones (modèle de Kron et modèle des réseaux de perméances) et un modèle mécanique dynamique d’engrenages droits et hélicoïdaux incluant les arbres et les paliers. Certains défauts classiques du moteur (excentricité du rotor) et des défauts d'engrenages (écaillages sur les flancs actifs de dentures) sont considérés et une technique itérative de résolution est présentée qui permet de résoudre le problème électromécanique couplé. De nombreux résultats sont présentés qui illustrent la possibilité et la sensibilité de détection de défauts d’engrenages par mesure de courants électriques sur le moteur. Sur la base de ces simulations, il est conclu que l’analyse de la signature des courants du moteur apparaît comme une méthode suffisamment précise pour détecter et surveiller les défauts locaux d’engrenage comme les écaillages. / The fault diagnosis in geared transmissions has been traditionally based on vibration monitoring but the implementation of sensors can be expensive and, in some applications, present technical difficulties. In this thesis, an original way of detecting faulty gears driven by electrical motors is proposed based on the monitoring of the motor currents. The corresponding electromechanical coupled system is numerically simulated by combining i) an electrical dynamic model of asynchronous motors (Kron’s model and permeance network model) and ii) a mechanical dynamic model of spur and helical gears (3D lumped parameter model) including the shafts and bearings. Some classic motor defects (rotor eccentricity) and gear faults (tooth spalls) are considered and an iterative solution technique is presented which makes it possible to solve the coupled electromechanical problem. A number of results are presented, which illustrate the possibility of tooth fault detection by stator current measurements with regard to the position and dimensions of the defect. Based on these simulations, it is concluded that motor current signature analysis can be a viable tool for the detection of localized gear faults such as tooth pitting.

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Ce travail de recherche s'inscrit dans le cadre de la surveillance des machines tournantes en régime non stationnaire et plus particulièrement la détection des défauts de roulement. Il se focalise sur la modélisation et l'analyse des variations de la vitesse de rotation instantanée. Les modèles numériques développés s'appuient sur une approche originale dite " angulaire " qui introduit explicitement les degrés de rotation libres de la machine et permet de s'affranchir de condition de fonctionnement en régime stationnaire. Un modèle de roulement à billes à gorge profonde a été développé couplant les efforts de contact normaux et tangentiels grâce à l'introduction du phénomène de résistance au roulement. Ce couplage permet d'expliquer l'origine des fluctuations de vitesse de rotation en présence de défaut de bague extérieure, phénomènes constatés expérimentalement : la présence d'un défaut sur une bague modifie périodiquement le couple de frottement. La modélisation de la liaison par engrenages est plus classique, la problématique a été de s'assurer qu'elle était compatible avec l'approche angulaire utilisée dans ces travaux. Le couplage des éléments de roulement et d'engrenage dans un modèle simple a montré que la présence de défauts de roulement provoque des variations des efforts radiaux ce qui modifie les efforts d'engrènement et en conséquence perturbe également la vitesse de rotation. Un modèle simplifié d'une éolienne a été réalisé et utilisé pour tester et valider des indicateurs spectraux de surveillance en conditions de fonctionnement non stationnaires. La comparaison avec des mesures expérimentales issues d'une éolienne a montré la robustesse du modèle. Il peut donc être exploité comme un outil d'analyse phénoménologique et de test d'indicateurs de surveillance. Il a par exemple permis de montrer l'importance des conditions de fonctionnement (charge et vitesse) sur le niveau des indicateurs utilisés en surveillance. Si besoin, les développements proposés peuvent être étendus sans difficulté à des modèles plus complexes de roulements, d'engrènements et de structures d'accueil de ces éléments technologiques. / This work has been developed within the framework of non-stationary rotating machinery surveillance with emphasis on the detection of roller bearing defects. It focuses on the modeling and analysis of instantaneous angular speed variations. The numerical models developed are based on an ``angular" approach which introduces explicitly the machine's free body rotation degrees of freedom allowing simulations in non stationary operating conditions. A deep groove ball bearing model has been developed coupling tangential and normal forces by taking into account the rolling resistance phenomenon. This coupling allows to explain the origin of angular speed fluctuations in the presence of outer race roller bearing defects, phenomena that has been observed experimentally: a roller bearing defect periodically modifies the friction torque. The description of the gear mesh has been performed by means of a classic approach where the scientific issue has been to verify the compatibility with the angular modeling, cornerstone of this dissertation. Integration of the roller bearing and the gear modeling approaches into a simple mechanical architecture has shown that the presence of bearing defects provoking variations in the rolling element-races normal forces, modifies the gear mesh forces leading to perturbations of the angular speed. A simplified wind turbine model has been used for the test and validation of non stationary surveillance spectral indicators. The robustness of the model has been shown by means of a comparison with measurements performed on a wind turbine. It has allowed to show the importance of the operating conditions (load and speed), on the level of indicators used. This means the model may be used as a tool for phenomenological analyses as well as a device to test surveillance indicators. If needed, the approaches presented may be easily extended into more complex models of bearings, gears, casings and foundations.

Les spectres de bruit mesurés en cabine d’hélicoptère montrent que la boîte de transmission principale (BTP) est un des principaux contributeurs au bruit perçu par les usagers. Elle génère en effet plusieurs raies émergeant fortement du bruit large bande et dont les fréquences se situent dans la plage de sensibilité maximale de l’oreille humaine. Dans un contexte d’amélioration permanente du confort acoustique des usagers, un modèle numérique est développé pour prédire le comportement dynamique des BTP. Les équations du mouvement sont écrites sur la base de fonctions du temps représentatives des excitations générées par l’engrènement (raideur d’engrènement et erreurs de transmission). Plusieurs éléments de validation sont présentés pour confirmer la pertinence de la formulation proposée. Différents résultats numériques et expérimentaux de la littérature sont utilisés à des fins de comparaison, montrant que le modèle s’applique aux systèmes à simple étage de réduction, par engrenage cylindrique ou spiro-conique. La validation est ensuite étendue aux systèmes à deux étages de réduction et les résultats confirment que la formulation basée sur les erreurs de transmission permet de tenir compte des corrections de profil. Finalement, le modèle est utilisé pour diverses applications. Premièrement, l’influence des erreurs de pas sur le comportement dynamique de transmissions par engrenages est discutée, ainsi que l’influence combinée du niveau de chargement appliqué. Dans un second temps, la relation entre l’erreur de transmission dynamique et différents coefficients dynamiques est étudiée. Le contenu spectral de la réponse au niveau des roulements est ensuite analysé pour des systèmes à deux engrènements cylindriques et l’influence de différents paramètres est discutée. Enfin, une application est réalisée sur un système comprenant un engrenage cylindrique et un engrenage spiro-conique. Les phénomènes de couplage entre les étages successifs sont mis en évidence ainsi que la contribution des deux engrènements au contenu spectral de la réponse aux roulements. / Noise measurements have shown that helicopters main gearboxes highly contribute to the overall cabin noise. Gear mesh vibrations propagate through the shafts to the rolling element bearings and the casing which becomes a source of radiated noise. The latter is characterized by high-amplitude tones emerging from broadband noise whose frequencies lie in the range of maximum human ear sensitivity. In the context of continuous improvement in the acoustic comfort of helicopter passengers, it is therefore necessary to analyse and optimize gearbox vibrations in order to reduce casing noise radiations. The research work presented in this memoir is focused on the development of a numerical model dedicated to the prediction of gear system dynamic behaviour, comprising several gear stages and different types of gears. This model relies on classic beam and lumped parameter elements along with specific two-node gear elements for both cylindrical (spur, helical) and spiral-bevel gears. The equations of motion are developed based on time-varying functions representative of mesh excitations which comprise: (a) mesh stiffness functions, (b) quasi-static transmission error under load, and (c) kinematic (or no-load) transmission error. A number of comparisons with benchmark numerical and experimental results from the literature are presented which demonstrate that the proposed approach is sound as far as single-stage systems with spur, helical or spiral-bevel gears are considered. Validations are then extended to double-stage gears and, here again, it is confirmed that the proposed transmission error based formulation is accurate and can account for tooth shape modifications. In the second part of the memoir, several examples of application are presented and commented upon. First, the combined influence of tooth pitch errors and load on the dynamic behaviour of gear transmissions is tackled. An extended three-dimensional model and a reduced torsional version are then confronted in order to investigate the dependency between dynamic transmission errors and mesh force / root stress dynamic factors. Further investigations on bearing dynamic response in two-stage spur gear systems are conducted and the particular contributions of profile modifications are analysed. Finally, a system combining a cylindrical gear and a spiral-bevel gear is considered and particular attention is paid to the dynamic couplings between the various meshes and their influence on bearing dynamic responses.

Le développement de nouvelles technologies permettant d’obtenir des procédés de fabrication novateurs, de même que l’utilisation de nouveaux matériaux et lubrifiants, ont rendu possible une amélioration globale de l’efficacité des systèmes mécaniques et la résolution de nombreuses défaillances. Néanmoins, certains types de détérioration comme le grippage restent difficiles à appréhender car ils résultent de nombreux paramètres connexes tels que le régime de lubrification, la température du contact et le coefficient de frottement. Le grippage est un phénomène qui apparait de manière brutale et qui se caractérise par des arrachements et des transferts de matières entre les surfaces en contact pouvant aller jusqu’à la destruction complète du système. Ce dernier est généralement associé à une mauvaise dissipation des calories entrainant des températures de contact élevées. De nombreux critères basés sur la dissipation d’énergie dans le contact ont été établis sans pour autant que l’un d’eux ne soit unanimement reconnu par la communauté scientifique. La première partie de cette étude a consisté à caractériser le comportement en frottement d’un couple matériau-lubrifiant grâce à l’utilisation d’une machine bi-disque. En parallèle, une modélisation thermique de ce banc d’essais a été réalisée en utilisant la méthode des réseaux thermiques. Les corrélations entre les formules analytiques et les mesures expérimentales ont permis d’aboutir à l’établissement d’une loi de frottement liant conditions de contact et température de masse des éprouvettes. Il a aussi pu être démontré que la température de masse des disques pouvait être considérablement différente de la température d’injection du lubrifiant en fonction des conditions opératoires. Ce résultat permet une analyse nouvelle des critères de grippage dont la plupart assimilent la température des éprouvettes à celle d’injection du lubrifiant. Malgré cela, les différents essais de grippage réalisés montrent que l’unique considération de la température de contact pour établir un critère de grippage s’avère insuffisante. / The development of new technologies, which allow innovative manufacturing processes, as well as the use of new materials and lubricants have led to an overall improvement of mechanical systems efficiency and reliability. However some failures, like scuffing, remain difficult to understand since they depend on many related parameters such as the lubrication regime, the contact temperature and the friction coefficient. Scuffing is a critical damage that appears suddenly and which is characterised by local welds and scratches between the sliding surfaces. It can lead to complete destruction of the mechanical system. This phenomenon is in general related to poor heat dissipation and overheating resulting in high contact temperature. Numerous studies were conducted in order to establish a scuffing criterion based on energetic approach. But none of them is unanimously recognized by the scientific community. The first part of this study consisted in characterizing the frictional behaviour of a given couple of lubricant and material thanks to the use of a twin-disc machine. In a second part, a thermal modelling of this test bench has been realised using the thermal network methodology. Correlations between analytical formulas and experimental measurements allowed to establish a friction law relating contact conditions and disc bulk temperature. It has also been demonstrated that the disc bulk temperature could be considerably different from the lubricant injection temperature depending on the operating conditions. This result allows a new interpretation of existing scuffing criteria, which for most of them consider the disc temperature to equal the oil temperature. Despite this analysis, the scuffing experiments performed reveal that accounting solely for the contact temperature is not sufficient to establish a reliable scuffing criterion.

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.

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. / The present work is aimed at predicting the dynamic behaviour of geared transmissions supported by hydrodynamic journal bearings, similar to those used in naval propulsion. A global model of mechanical transmissions is introduced which deals with most of the possible interactions between gears, shafts and hydrodynamic journal bearings. A specific element for wide-faced gears with non linear time-varying mesh stiffness and tooth shape deviations is combined with shaft finite elements whereas the bearing contributions are introduced based on the direct solution of REYNOLDS’ equation and a simple thermal model. Because of the large bearing clearances, particular attention has been paid to the definition of the degrees-of-freedom and their datum. Solutions are derived by combining a time-step integration scheme, a NEWTON-RAPHSON method and a normal contact algorithm in such a way that the contact conditions in the bearings and on the gear teeth are simultaneously dealt with. The simulation results are compared with the measurement obtained on a high-precision test rig with single stage spur and helical gears supported by hydrodynamic journal bearings. The experimental and simulation results compare well thus validating the simulation strategy both at the global and local scales. A number of results are presented which show that parameters often discarded in global models such as the location of the oil inlet area, the oil temperature in the bearings and external couplings with mechanical parts can be influential on the static and dynamic behaviour of the system.

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 ». / The objective of this PhD thesis is to define optimum tooth shape modifications for spur and helical gears with regard to a number of design parameters. The memoir is divided into four parts. A literature review on tooth modification along with optimization techniques is presented in the first section. The second part of the text is centred on a deterministic approach to the performance induced by tooth modifications on several design criteria commonly used in gearing. Some original analytical developments on transmission errors are presented which are combined with a genetic algorithm in order to define optimum profile relief. In the third part of the memoir, a probabilistic analysis is conducted based on Gaussian quadrature leading to robust tooth modifications. A number of results are presented which illustrate the influence of the quality grade, the tooth modification shapes, etc. Finally, the results delivered by a specific multi-criterion optimization algorithm “NSGA-II” are displayed and commented upon.

Les engrenages en matériau polymère présentent de nombreux avantages par rapport aux aciers. Ils sont plus légers, résistants à la corrosion, fonctionne sans lubrifiant et leurs coûts de revient est moindre grâce au moulage par injection. Ils sont de plus en plus utilisés dans des domaines variés, mais se limitent à la transmission de mouvement. L’ajout de fibre de verre courte permet d’augmenter leur tenue mécanique et de diversifier leur domaine d’utilisation à des transmissions de petite à moyenne puissance. Le polyamide (Nylon) renforcé de fibres de verre est le composite le plus couramment utilisé dans le domaine des engrenages. Néanmoins, son comportement viscoélastique ainsi que la présence de fibres introduit une difficulté supplémentaire dans la modélisation. En outre, le comportement viscoélastique dépend de la température et pour le Polyamide, de l’humidité. Par conséquent, la viscoélasticité impacte directement la répartition des charges, l’erreur de transmission sous charge, la raideur d’engrènement. Dans cette thèse, une méthode numérique originale modélisant le comportement mécanique des engrenages en Polyamide 6 renforcé de fibre de verre est proposée. L’approche utilise le modèle rhéologique linéaire de Kelvin généralisé pour simuler le comportement viscoélastique du matériau et prendre en compte la température, l’humidité ainsi que le taux de fibre et leur anisotropie. Ensuite ce modèle rhéologique est intégré dans le modèle quasi-statique du partage des charges développé par le LaMCoS. Ce processus de calcul permet d’obtenir les résultats essentiels pour les engrenages (répartition des charges, pressions de contact, erreur de transmission sous charge, raideur d’engrènement) avec un temps de calcul assez court. Afin de de valider les modèles numériques développés, un banc d’essai a été mis en place, permettant la mesure de l'erreur de transmission et la visualisation de la température de l’engrenage pendant son fonctionnement. / Polymer gears present several advantages: they can be used without lubricant, their meshing is silencer, resistance to corrosion is better, weight is reduced. However they have a poor heat resistance and are limited to rotation transmission. In order to improve the gears performance, glass fibre reinforcement is being increasingly used, where their lower cost and higher strength, compared to unreinforced polyamide, offer a potential increase in gear performance. Mechanical behaviour of polymers materials is very complex; it depends on time, history of displacement, temperature and for several polymers, on humidity. Moreover, an addition of fibres can make the material properties heterogeneous and anisotropic. The particular case of Polyamide 6 + 30% glass fibres which is the most common fibre reinforced plastic is studied in this work. In the first part of this work, a mould was developed to better control the material choice and moulding conditions. Using tomographic observations, investigations were done to better understand the relation between moulding conditions, gears geometry and fibres orientation. Based on these observations and with the help of mechanical characterisation, a linear rheological generalized-Kelvin model was developed to simulate the viscoelastic behavior of the polymer material. In a second part, this model taking into account temperature, humidity and rotation speed is integrated in quasi-static load sharing computation developed by the LaMCoS laboratory. In the load sharing calculus, the displacements are obtained on a large meshing covering the entire surface of the tooth. This relation integrates the viscoelastic displacement, the fibre orientation and the geometrical influence coefficients. The method permits to obtain results such as the loaded transmission error, the instantaneous meshing stiffness, the load sharing and the root tooth stress at different temperature, humidity and rotation speeds within a reasonable computation time. Investigation have shown interesting results regarding the historic of displacements which represents up to 15% of the total displacement at the tip radius, the localization of the maximal tooth root stress, which is the same than metal gears, or the influence of the thermal expansion toward transmission error. On another hand, we have highlighted the low difference between a realistic description of the fibre orientation and an homogeneous anisotropic one. The last step concerns the validation of the numerical. The measurements are carried out on a test bench developed at the LaMCoS laboratory. It provides two experimental results: the temperature of the gear during operation, and the load transmission error using optical encoders to measure the angular positions of the pinion and the gear. This one is global enough to validate the three steps of the model: geometry, kinematics and load sharing.