O aumento de eficiência de transmissões automotivas é a grande motivação deste trabalho. Sendo um dos objetivos principais avaliar correlações entre ensaios de eficiência de transmissões (com foco em engrenagens e cinemática do engrenamento) e ensaios tribológicos (com foco na avaliação do coeficiente de atrito e regimes de lubrificação). Nos ensaios tribológicos foi determinado o coeficiente de atrito para diferentes relações de rolamento e deslizamento, regimes de lubrificação, lubrificantes e recobrimentos. No banco de testes de transmissões automotivas foram avaliados diferentes lubrificantes e recobrimentos, similares aos avaliados nos ensaios tribológicos. Para se estabelecer a correlação entre estas duas escalas de ensaios, foi feito primeiramente um mapeamento de esforços e combinação de velocidades de rolamento e deslizamento durante o contato entre os dentes em uma transmissão. Este mapeamento permitiu: 1) que ensaios tribológicos tipo rolo esférico-disco fossem realizados de forma a se obter os coeficientes de atrito em diversas relações de razão deslizamento-rolamento (SRR - \"slide to roll ratio\") de forma a avaliar a performance de um revestimento a base de carbono e um óleo lubrificante aditivado; 2) Ensaios tribológicos esfera-disco plano também fossem realizados de forma a levantar os coeficientes de atrito para que, neste caso, fosse feito um confronto de especificação de óleos. Os ensaios de banco de provas foram feitos em diferentes condições: 1) utilizando um automóvel; 2) simulações numéricas (softwares comerciais) e 3) utilizando um banco para avaliação de eficiência de transmissões (dinamômetros e motores elétricos). Tanto os ensaios tribológicos (coeficiente de atrito) como testes de banco (avaliação da eficiência da transmissão) foram conduzidos em diferentes cenários de temperatura, relações de pressão de contato e velocidade comparadas com uma configuração de referência (características superficiais da engrenagem, contato na engrenagem e regimes de lubrificação). Os resultados obtidos permitiram associar o mapeamento do contato entre engrenagens e o regime de lubrificação com as eficiências obtida em banco de transmissões, softwares e ensaios tribológicos. Estes resultados indicam menores custos em desenvolvimentos e projetos de transmissões automotivas. / The greatest motivation of this thesis was the improving the efficiency of automotive transmissions. One of the aspects studied is how to establish a correlation between tribological test parameters based on the friction coefficient and lubrication regimes to the efficiency of an automotive transmission bench test. The efficiency of the transmission based on the contact established during the gearing for different coatings and lubricants. This correlation was based primarily using a stress map and the combination of sliding and rolling speeds applied on the surface contact between gear teeth. This mapping allows testing: 1) tribolological tests (roll on disc) combined with a device used to simulate contact conditions on friction coefficient, in which different conditions of slide to roll ratio (SRR) were obtained. Therefore the effect of carbon base coating and lubricants with different features could be tested. 2) tribological tests (ball on disc), in which friction coefficient was obtained for different lubricants to evaluate the behavior of them, probably related to additives. Transmission bench tests were also conducted, transmissions were tested:1) in automobiles; 2) using numerical simulation; 3) rig tests (dynamometers and electrical engines). Bench tests evaluated primarily the efficiency of the transmission. Tests (tribological and bench tests) in various scenarios of temperature, contact pressure ratio and speeds compared to the reference configuration (surface features of transmission gears, gear contact and regimes of lubrication) allowed the comparison between transmission efficiency, regimes the lubrication obtained during bench tests and tribological parameters, such as friction coefficient, and therefore, the results can help in selecting coatings and lubricants. These results indicate lower development and design costs in transmissions evaluation can be reached.

O foco do presente trabalho é estudar a intensificação da pressão de contato entre os dentes de duas engrenagens cilíndricas de dentes retos, que ocorre por causa do deslocamento dos componentes de um redutor de velocidades. Essa intensificação ocorre inclusive em um redutor fabricado sem quaisquer erros de usinagem ou de montagem. A correção de hélice é uma usinagem realizada na superfície do dente da engrenagem que compensa os deslocamentos dos eixos e engrenagens, devido à flexão e à torção, e os deslocamentos dos dentes das engrenagens, devido à flexão e à pressão de contato. Foram estudados efeitos importantes para essa correção de hélice em um redutor de velocidades. Com isso, foi desenvolvido um modelo analítico que calcula a correção necessária para diminuir esse intensificador de pressão de contato em função dos deslocamentos citados acima. Esse modelo analítico foi comparado com um modelo analítico da literatura e com o software comercial RIKOR®. Os resultados de correção de hélice propostos são similares aos da literatura e do RIKOR® com exceção das bordas das engrenagens, aonde existem algumas divergências. Posteriormente, foi desenvolvido um modelo sólido de engrenagem com o perfil evolvente e com as correções de hélice calculadas analiticamente. Este modelo tridimensional (3D) foi elaborado usando os softwares SolidWorks® e Inventor® e simulado por elementos finitos por meio do software ANSYS®. Verificou-se que as três correções de hélice - a proposta, a da literatura e a do RIKOR® - realmente diminuem a intensificação de pressão de contato no flanco do dente da engrenagem. Por fim, foi possível visualizar que a correção proposta nesta dissertação é 3% mais efetiva que a proposta pela literatura e pelo RIKOR® para o caso analisado. / This work will study the contact pressure intensifier between two spur gears teeth, which exists due to the displacement of the components of the gearbox. This effect occurs even in gearboxes manufactured without any machining and/or assembling errors. The lead correction is a machining operation conducted at the gear tooth surface that compensates the displacement of shafts and gears, due to bending and torsion, and the gear teeth displacement, due to bending and contact pressure. Factors that are important to the lead correction in gearboxes were studied. An analytical model was proposed in order to evaluate the lead correction necessary to diminish the contact pressure intensifier as a function of the displacements mentioned above. This analytical model was compared to a literature one and to the commercial software RIKOR®. The results of the proposed lead correction are similar to the literature and RIKOR® ones, although there are differences at the borders of the gears. This work also describes the development of a solid model of the gears and shafts with the involute profile and the lead correction evaluated analytically. This model is tridimensional (3D) and was designed using SolidWorks® and Inventor software. It was simulated using finite element analysis software ANSYS® and it was possible to verify that the three lead corrections - proposed, from literature and from RIKOR® - diminished the contact pressure intensifier at the gears tooth flank. It was also possible to verify that the lead correction proposed is 3% more effective than the other ones for the case analyzed.

Le traitement thermique est un procédé très largement utilisé dans l'industrie automobile et en particulier sur les pièces à dentures. Appliqué en général après usinage, il permet d'améliorer les propriétés mécaniques des pièces. Dans le même temps, plusieurs phénomènes physiques conduisent à des déformations, qui peuvent conduire au non-respect des tolérances dimensionnelles et géométriques. Ces déformations sont certes liées au traitement thermique mais également à l'ensemble de la gamme de fabrication en amont de celui-ci.L'objet de ce travail de recherche est d'améliorer d'une part la connaissance des phénomènes physiques mis en jeu au traitement thermique et d'autre part l'identification des déformations géométriques. Dans un premier temps, les déformations propres à chaque étape de fabrication sont identifiées. Puis au sein de la gamme, les sources d'origine dans la signature géométrique finale sont séparées. Une gamme de fabrication numérique illustre cette méthode.D'autre part, les « contraintes résiduelles » sont identifiées comme influentes sur l'évolution de la géométrie. Leur impact sur les déformations au traitement thermique est obtenu grâce à plusieurs campagnes d'essais sur site industriel. De cette façon, chaque caractéristique géométrique est reliée à une ou plusieurs étapes de fabrication en particulier. Ces résultats fournissent une aide au diagnostic des causes de non-conformités au traitement thermique. En parallèle, des modifications sur la gamme de fabrication sont proposées. / Heat treatment is widely used in automotive industry, especially in the case of gears. This process is habitually used after machining and increases mechanical properties of work pieces. In the meantime, several phenomena lead to distortions and sometimes to geometrical non-conformities. Distortions are due to heat treatment but also to previous manufacturing processes.The objective of this study is to improve both the understanding of physical phenomena occurring during heat treatment and the identification of distortion. First, distortions of each single manufacturing step are identified. Then, causes of final geometry amongst the overall process are ranked. A numerical manufacturing process is used as an example to illustrate this method.Secondly, residual stress influence on heat treatment distortion is revealed thanks to several industrial experiments. Thus, each single geometrical criterion is linked to a manufacturing step. These results provide a diagnosis tool helping to determine distortion causes. Moreover, evolutions on industrial process are proposed.

Le transport aérien des marchandises et de personnes est devenu un des piliers de notre société mondialisée. Néanmoins, la croissance du secteur aéronautique a accentué les problèmes liés aux hauts niveaux sonores émis par les aéronefs. Dans le cadre de la réduction du bruit produit par les trains d’atterrissage en phases d’approche et d’atterrissage, cette thèse a pour but de proposer une méthodologie numérique précise et efficace permettant de prédire un tel bruit. Elle est basée sur l’utilisation du code Navier-Stokes CEDRE développé à l’ONERA mettant en œuvre des maillages non-structurés de haute qualité ainsi qu’un modèle de turbulence de type Zonal Detached Eddy Simulation. Cette démarche a été validée grâce au cas LAGOON, notamment à partir de deux simulations réalisées durant cette thèse, avec l’obtention de résultats très précis (moins de 1dB d’écart avec la mesure expérimentale des niveaux de bruit intégrés) avec un coût de calcul très raisonnable. Par la suite, cette méthodologie a été appliquée à un cas plus complexe, le PDCC, représentatif d’un train d’atterrissage réel. Une nouvelle fois, les résultats obtenus notamment les niveaux de bruit sont très précis, comme c’était le cas pour LAGOON. Ces bons résultats sont obtenus pour des choix différents : pour le PDCC des lois de paroi ont été utilisées en plusieurs endroits de la géométrie, dans le but de réduire encore plus le coût de calcul, tandis que dans le cas LAGOON, les couches limites ont été résolues à l’aide d’un maillage dédié. Finalement, la nature des sources acoustiques présentes dans le train LAGOON a été aussi étudiée. Pour cela, une simulation numérique d’un écoulement se développant autour d’une roue isolée du train a été réalisée afin d’identifier les mécanismes physiques responsables de la réponse tonale de la cavité, observée lors de la campagne expérimentale sur le train à 2 roues. Cette étude peut être aussi considérée comme celle d’une cavité installée soumise à un écoulement rasant non-uniforme. Les résultats obtenus sont comparés avec succès à ceux issus de la littérature du bruit de cavité. / In a globalized world, air transportation of goods and persons has become an important pillar of our societies. However, the growth of this sector has raised an important issue, the high noise associated. In the framework of reducing the noise emitted by aircraft at approach and landing, and more precisely the noise emitted by the landing gear, this thesis aims to provide an accurate and efficient numerical methodology enabling to predict such noise. It is based on the use of ONERA’s in house Navier-Stokes code CEDRE coupled with the use of high quality unstructured meshes and a Zonal Detached Eddy Simulation turbulence model. This procedure has been developed thanks to the LAGOON test case, of which two simulations were performed during this thesis, obtaining very accurate results (less than 1dB of error in the OASPL results compared to the experimental measurements) at a moderated cost. In the following, it was applied to a more complex case, the PDCC, representative of a realistic landing gear. Once again, the results obtained were very accurate as was the case for LAGOON, even if an important difference existed between the two cases: for the PDCC, wall functions were used for several geometrical parts, aiming to decrease even more the cost of the simulation while all the boundary layers developing over the LAGOON case were completely solved with a devoted grid. Finally, the nature of the acoustic sources present in the LAGOON landing gear was also addressed. At this end, a simulation was carried out over an isolated wheel, aiming to identify the mechanisms underlying the tonal response of these cavities observed during the LAGOON experimental campaign. This study can be considered as the study of an installed cavity submitted to a non uniform grazing flow, and its analysis relied on comparisons with the results obtained on common cavities from literature.

In der Verpackungsindustrie werden Becher und Schalen u.a. mittels Druckluftformautomaten aus Folienbahnen geformt. Die Kiefel GmbH ist Hersteller solcher Anlagen zum Umformen aus Kunststoffhalbzeugen mittels Warmumformprozessen. Die Herausforderung an die Bewegungstechnik besteht bei diesem Prozess darin, die Taktzeiten möglichst gering zu halten und somit die Produktionsrate zu erhöhen. In der KTR Baureihe der Kiefel GmbH wird die Werkzeugbewegung hauptsächlich über zwei Komponenten bestimmt. Die Geometrie der Bewegungsbahn wird über Kurvenscheiben vorgeschrieben. Der zeitliche Verlauf der Bahn wird über die Drehgeschwindigkeit der Kurvenscheiben mittels eines Servoantriebes variiert. Auch wenn die Kombination von Kurvenscheibe und Servoantrieb verschiedene Vorteile bietet, ist die optimale Synthese beider Komponenten noch unzureichend erforscht. Innerhalb einer Kooperation vom Institut für Getriebetechnik, Maschinendynamik und Robotik (IGMR) der RWTH Aachen University und der Kiefel GmbH wurde das Potential von servogesteuerten Kurvengetrieben für die Flexibilisierung des Tiefziehprozesses untersucht. Dabei sind neue Ansätze zur Auslegung des Gesamtsystems entstanden. Ergebnisse dieser Untersuchung werden innerhalb dieser Veröffentlichung dargestellt. Dabei wird zuerst auf den Thermoformprozess eingegangen, bevor das generelle Potential servogesteuerter Kurvengetriebe beschrieben wird. Anschließend wird ein kleiner Einblick in den gemeinsam entwickelten Auslegungsprozess gegeben. [... aus der Einleitung]

La fissure d'engrenages peut être considérée comme un défaut des plus compliqués à diagnostiquer car sa signature vibratoire n'est pas vraiment connue. En plus, l'intégration des fissures dans les modèles numériques n'est pas une tâche simple. D'autre part, le diagnostic des engrenages peut être fait dans le domaine temporel à travers des descripteurs statistiques ou dans le domaine fréquentiel grâce à l'analyse spectrale ou l'analyse cepstrale. Lors de l'apparition d'un défaut de fissure, des phénomènes non linéaires et non-stationnaires se manifestent ce qui rend les outils classiques de traitement du signal moins fiables. Dans ce manuscrit, nous répondons à toutes ces problématiques en développant un modèle d'engrenages à 6 DDL qui porte une fissure qui respire. Le modèle nous permet d'étudier la signature de la fissure et son effet sur les vibrations résultantes indépendamment de l'effet des autres composantes du système. Les résultats ont montré que la fissure conduit à une chute de la rigidité d'engrènement. En plus, la respiration de la fissure cause une fatigue dans le matériau ce qui engendre un terme aléatoire dans le signal vibratoire. La combinaison du terme aléatoire avec la composante périodique due à la rotation des arbres conduit à l'apparition de la cyclostationnarité d'ordre 2. Une étude comparative de sensibilité et de robustesse entre la transformée de Fourier rapide, la cyclostationnarité d'ordre 2 et les estimateurs de la phase instantanée (la transformée de Hilbert, estimation of signal parameters via rotational invariance techniques avec une fenêtre glissante, weighted least squares estimation et le scalogramme de phase) est effectuée pour la détection précoce des fissures. En plus, des essais expérimentaux ont été effectués sur un banc d'essais d'engrenages avec différentes dimensions de fissures. Les résultats théoriques et expérimentaux ont montré que l'analyse cyclostationnaire est la méthode la plus sensible et la plus robuste pour la détection précoce des fissures par rapport aux méthodes proposées. De plus, l'analyse de la phase instantanée donne également des résultats intéressants dans le cas des défauts de fissures. Nous avons montré que le scalogramme de phase est, a priori, plus performant que les autres approches / The gear crack is considered as the most complicated failure to diagnose because its vibration signature is not really known. In addition, the integration of crack defect in numerical models is not a simple task. On the other hand, gears diagnosis can be done in the time domain through statistical descriptors or in the frequency domain using spectral analysis or cepstral analysis. During the appearance of a crack defect, nonlinear and nonstationary phenomena occur which makes the classical tools of signal processing unreliable. In this manuscript, we respond to these challenges by developing a gear model of 6 DOF that has a crack that breathes. This allows us to study the signature of the defect in the resulting vibrations with a flexible way away from external vibrations. The results showed that the crack leads to a fall in the mesh stiffness. In addition, the opening and closing of the crack causes a fatigue in the material which generates a random term in the vibration signal. The combination of the random term with periodic component due to the rotation of the shafts leading to the appearance of second-order cyclostationary. A comparative study of sensitivity and robustness between the fast Fourier transform, second-order cyclostationary and estimators of instantaneous phase (the Hilbert transform, Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques with a sliding window, Weighted Least Squares Estimation and phase scalogramme) is performed for the early detection of cracks. In addition, experimental tests were carried out on a test-bench with different sizes of crack. The theoretical and experimental results showed that the cyclostationary analysis is the most sensitive and most robust method for the early detection of cracks in comparison with the other evaluated methods. Furthermore, the analysis of the instantaneous phase also gives good results in the case of crack defects. We have shown that the phase scalogramme is a priori more efficient than other approaches

Die steigende Nachfrage nach mechanischen Kleinuhren und deren monopolhafte, meist in Schweizer Unternehmen erfolgte Fertigung der Uhrenkomponenten, führten zu einem stetig zunehmenden Interesse, historisch gewachsene handwerkliche Vorgaben und Vorschriften zu hinterfragen. Genauere Fertigungstechnologien, die Verwendung neuerer Materialien und die Möglichkeit des Einsatzes heutiger Rechentechnik bei der Auslegung und Qualitätssicherung, welche beispielsweise in der Feinwerktechnik, dem Maschinenbau oder der Fahrzeugtechnik seit Jahren Stand der Technik sind, führen zu Forschungsaufgaben mit der Möglichkeit, ermittelte theoretische Ergebnisse mit reichlich handwerklichen Erfahrungen der Uhrmacher zu stützen. Das Interesse, die Funktionsweise der einzelnen Teilsysteme im Uhrwerk genau zu analysieren, Möglichkeiten der Anpassung sowohl fertigungsbedingt als auch wirkungsgrad- und genauigkeitssteigernd aufzuzeigen und zu definieren führte zur Anfertigung dieser Arbeit. Mit dieser Arbeit wird ein Beitrag geschaffen, welcher das systematische Vorgehen bei der Analyse und der Berechnung der Uhrwerkskomponenten Räderwerk und Schweizer Ankerhemmung beschreibt. Es werden theoretische Untersuchungen aufgeführt, Optimierungsparameter herausgestellt und Messungen an realen Uhrwerken durchgeführt, insbesondere zur Validierung der theoretischen Untersuchungen. Mit der Auswertung der Messergebnisse werden Möglichkeiten gezeigt, geometrische und kinematische Problemstellungen zu identifizieren und gezielt anzupassen.

Les normes environnementales toujours plus sévères associées à une constante augmentation de la demande énergétique rendent nécessaires les actions à entreprendre en vue d’améliorer l’efficacité énergétique. Dans le domaine du transport, responsable à lui seul de plus de la moitié de la consommation des ressources pétrolières, les actions visant à optimiser la consommation énergétique se traduisent par la mise en place de nouvelles technologies hybrides, par un travail sur l’aérodynamisme des véhicules, la conception de pneumatiques plus performants ou bien encore la réduction de la taille des moteurs et des boites de vitesse afin de réduire le poids des véhicules. Cependant, selon le VTT (Centre de recherche technique finlandais), dans les voitures particulières, les pertes par frottement représentent un tiers de la consommation totale de carburant. Plusieurs millions de litres de carburant sont ainsi utilisés dans le monde chaque année pour vaincre les forces de frottement. Pour cette raison la recherche en tribologie dans le domaine de l’automobile s’est plus particulièrement focalisée ces dernières années sur le développement de matériaux à faible coefficient de frottement ainsi que lubrifiants plus performants. Ce travail de thèse a pour objectif d’étudier le potentiel des nanoparticules de dichalcogénures métalliques en tant qu’additifs de lubrification pour applications automobiles dans le but de développer de nouveaux lubrifiants hautement performants. Ces nanoparticules, synthétisées pour la première fois dans les années 90, ont déjà montré des propriétés tribologiques intéressantes lors de tests effectués en laboratoire, en régime de lubrification limite. Toutefois, leur utilisation dans des systèmes mécaniques réels nécessite une meilleure compréhension de leurs performances dans des conditions plus proches de la réalité, à savoir en présence de surfaces rugueuses ainsi qu’en présence d’additifs couramment utilisés dans les lubrifiants industriels. Au cours de ce travail, nous nous sommes focalisés sur des nanoparticules de bisulfures de tungstène produites industriellement. Le contexte industriel de ce travail de thèse ainsi que les bases de la tribologie seront exposés dans un premier chapitre consacré à l’état de l’art. Dans ce même chapitre, une revue bibliographique des propriétés lubrifiantes des nanoparticules de bisulfures métalliques (MoS2, WS2) observées lors d’essais tribologiques effectués en laboratoire sera également présentée. L’influence de certains paramètres tels que les conditions d’essais, l’effet de la température, de la concentration, de la cristallinité sera également présentée dans ce premier chapitre.Les résultats de mon travail de thèse seront présentés à travers deux grandes parties. Dans une première, les caractéristiques morphologiques et chimiques des nanoparticules étudiées seront présentées. Leurs propriétés tribologiques dans l’huile de base en présence de surfaces en acier de différentes rugosités seront discutées. Enfin, leurs performances en présence d’additifs couramment utilisés dans les applications industrielles ont également été étudiées. Tous ces essais ont été réalisés en régime de lubrification limite et à 100°C. Dans une seconde partie, le potentiel des nanoparticules pour une application boîte de vitesses a été exploré. Des essais tribologiques ont été réalisés à la fois dans une huile de base ainsi qu’en présence d’un cocktail d’additifs, tout d’abord à l’échelle du laboratoire puis lors de tests réels effectués avec des boites de vitesses utilisées dans l’automobile. Les résultats montrent que les nanoparticules peuvent être utilisées pour augmenter la durée de vie des engrenages. / The growing environmental concerns, along with the continuous increase of energy demand, have encouraged research to improve energy efficiency in every technological field. In the transport industry, responsible of more than half of the world’s oil consumption, manufacturers have bet on hybrid fuel technologies, more aerodynamic car profiles, innovative tires and even downsizing of engines and gearboxes to reduce the weight of the vehicles to face the problem. However, according to VTT Technical Research Centre of Finland, in passenger cars one third of fuel consumption is due to friction loss. This means that several millions of liters of fuel are used every year to overcome friction around the world. As a consequence, reduction on the friction losses would have a direct impact in oil consumption. For this reason, research in the tribology field has specially focused in the development of low friction materials and more efficient lubricants. This work investigates the potential of metal dichalcogenide nanoparticles as lubricant additives for automobile applications with the aim of formulating more efficient lubricants. These nanoparticles which were synthetized for the first time in the 90’s have shown interesting tribological properties when added to base oil under specific laboratory test conditions. However, their future use in real-life mechanical systems needs a better comprehension of their behavior on rough surfaces and in the presence of additives commonly used in industrial lubricants.Industrially produced tungsten disulfide nanoparticles were used in this work. First of all, the industrial context of this work and the basis of tribology science in general and of tribology in the automotive industry in particular are exposed in the state of the art part. In this section, a literature review of the lubricating properties of laboratory scale produced metal dichalcogenides nanoparticles of tungsten and molybdenum disulfide is exposed. The effect of different conditions (temperature, concentration in oil, contact pressure, among others) is also presented in this first section. The research work done for this thesis is divided in two main parts. In the first one, the nanoparticles were first morphologically and chemically characterized and their tribological potential in base oil was investigated on smooth and rough surfaces under different test conditions. Then, their tribological behavior in the presence of additives that are commonly used in industrial applications, in the boundary lubrication regime and at 100°C was studied.In the second part, the use of nanoparticles for a gearbox application was explored. The potential of the nanoparticles in base oil and in the presence of a commercial package of additives for this application was studied, first at the laboratory scale, and then in scaled-up tests with gearboxes used in cars. The results suggest that nanoparticles can be used to increase life span of the mechanical parts of gears.

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