Les roulements soumis à des mouvements oscillatoires et des charges élevées sont nécessaires pour le fonctionnement de nombreux mécanismes industriels (actionneurs, commandes d’avions, machines pour l’usinage, robots, chaînes d’assemblages, …). Ces roulements sont soumis à des pressions de contact locales extrêmement élevées avec des vitesses de roulement faibles qui ne permettent pas une lubrification adéquate des interfaces des premiers corps avec de l’huile. Les essais d’endurance sur les roulements ont permis la reconstitution des courbes de dégradation pendant la vie du roulement. Des analyses des surfaces, effectués à chaque phase de la vie du roulement ont permis aussi bien de suivre l’évolution de la topographie à l’interface entre les pistes et les éléments roulants. D’autre parte, des analyses numériques par éléments finis ont permis d’obtenir des informations sur les distributions des contraintes et des déformations. Le croisement des résultats expérimentaux et numériques a donc permis la reconstruction des mécanismes locaux d’accommodation. Dans le cas d’un roulement oscillant non graissé, les déplacements relatifs et les contraintes sont principalement accommodés aux interfaces des premiers corps en contact, ce qui accélère l’endommagement final du roulement. Dans le cas d’un roulement oscillant graissé, une partie des déplacements relatifs et contraintes est accommodée dans une sous couche qui se forme dans la peau des éléments roulants. Cette accommodation se manifeste par l’accumulation de déformations plastiques qui s’avèrent être aussi à l’origine de l’endommagement final du roulement. L’analyse des surfaces de contact des roulements oscillants graissés montre qu’il se forme, en présence de la graisse et très tôt dans la vie du roulement, une couche (troisième corps graisse/particule et TTS en surface de la piste) qui protège les surfaces en contact. D’autre part, une expertise de roulement ayant fonctionné sur un avion de de type A340 révèle une forte similarité entre ses faciès d’usure et ceux obtenus lors des essais d’endurance, et valide ainsi les mécanismes d’accommodation reconstitués. Enfin, des questions portant sur les effets de la quantité de graisse, du glissement des éléments roulants, et des pauses sur un essai donné sont aussi traitées. / Bearings subjected to oscillatory motions and high loads are necessary for the operation of several industrial mechanisms (actuators, aircraft controls, machining, robots, assembly lines, ...). These bearings are subjected to extremely high local contact pressures with low running speeds, which do not permit adequate lubrication of the interfaces of the first bodies with oil. Endurance tests perfomed on commercial bearings allowed at reconstructing the evolution of the degradation curves during the bearing life. Surface analyses carried out at each phase of the bearing life also allowed at following the evolution of the topography at the interface between the bearing raceways and the rolling elements. On the other hand, numerical analyses, by finite element method, have led to obtain information on the distributions of stresses and deformations. The dialogue between experimental and numerical results allowed the reconstruction of the local accomodation mechanisms. In the case of ungreased oscillating bearings, the relative displacements are mainly accommodated at the surfaces of the first bodies in contact, which accelerates the damage of the bearing. In the case of greased oscillating bearings, part of the relative displacements and stresses are accommodated at the subsurface of the rolling elements. This accommodation mechanism is manifested by the accumulation of plastic deformations which are at the origin of the final degradation of the bearing. The analysis of the contact surfaces of the raceways of the greased oscillating bearings shows as well that, in the presence of grease, a layer (third body mixture of grease and particles, and TTS on the track surface) protects the surfaces of the raceway and thus accommodates the other part of the displacements and stresses. On the other hand, the analysis of an airelon bearing, dismounted from an A340 type aircraft, revealed a strong similarity between its topographies and those obtained during the performed endurance tests, validateing the reconstructed accommodation mechanisms. Finally, questions about the effects of the amount of grease, sliding of the rolling elements, and pauses on a given test heve been discussed too.

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.

Le développement de lubrifiants haute performance pour réduire le frottement dans les moteurs et limiter la consommation de carburant, demeure un défi majeur pour les fabricants d’huiles. Les améliorants d'indice de viscosité (VII) sont des polymères couramment utilisés pour réduire la dépendance en température de la viscosité du lubrifiant, afin de maintenir une lubrification hydrodynamique acceptable à haute température. Ce travail se concentre sur la compréhension du rôle des VII dans les lubrifiants moteur afin de relier leur réponse tribologique et leur comportement rhéologique. Des lubrifiants simplifiés sont étudiés, composés de divers polymères de différents poids moléculaires et conformations, ajoutés à une huile de base minérale. Premièrement, la dépendance de la viscosité à la température et la pression de ces lubrifiants est étudiée. Il est montré que leur comportement rhéologique résulte de mécanismes se produisant à l'échelle moléculaire, en considérant les notions de solubilité, rayon hydrodynamique et d’effets de conformation. Ensuite, la dépendance viscosité-cisaillement est discutée en fonction de la structure des polymères et prédite sur une large gamme de températures et de pressions à travers un modèle conventionnel. Cependant, les hypothèses qui sous-tendent ce modèle nous amènent à proposer une relation plus appropriée prenant en compte la viscoélasticité des lubrifiants. Enfin, des mesures d'épaisseur de film sont effectuées pour explorer comment l'addition de polymère affecte la réponse du lubrifiant dans les régimes élastohydrodynamique et thin film. Elles sont comparées aux prévisions analytiques basées sur les modèles rhéologiques établis précédemment. Il est montré i) une bonne adéquation entre les prévisions et les données expérimentales dans le régime EHD et ii) la présence d’une épaisseur critique pour certains polymères à partir de laquelle les résultats s’écartent significativement des prévisions. Ce régime thin film, aux faibles épaisseurs, est expliqué par le comportement non newtonien des lubrifiants et l'adsorption des polymères aux surfaces. / The development of high-performance lubricants to reduce engine friction and consequently fuel consumption remains a major challenge for oil manufacturers. Viscosity Index Improvers (VII) are polymer additives used for decades to limit the dependency of the lubricant’s viscosity on temperature, to maintain an acceptable hydrodynamic lubrication at high temperature, without experiencing excessive frictional and thermal losses at low temperature. This work focuses on understanding the role of VII in engine lubricants with the aim to bridge their tribological response with their rheological behavior. Simplified lubricants are studied, composed of various polymers of different molecular weights and conformations added to a mineral base oil. In a first part, the viscosity-temperature-pressure dependence of these lubricants is investigated. Their rheological behavior is shown to result from mechanisms occurring at molecular scale, by considering the notions of solubility, hydrodynamic radii and conformation effects. In a second part, the viscosity-shear stress dependence is discussed according to the polymers structure and predicted on a large range of temperatures and pressures through a conventional model. However, the strong assumptions behind this model lead us to propose a more appropriate relationship which takes into account the viscoelastic properties of the lubricants. Finally, film thickness measurements are conducted to explore how the polymer addition affects the lubricant’s response in the Elastohydrodynamic and Thin Film regimes. They are compared with analytical predictions based on the rheological models established previously. It is shown that i) there is a good agreement between predictions and measured film thicknesses in the EHD regime and ii) at lower thickness, i.e. in the Thin Film regime, some polymers show a critical thickness from which the film thickness significantly departs from the predictions. Several explanations are considered, among them the non-Newtonian behavior of the lubricants and the adsorption of polymers on the solid bodies.

Dans les grands systèmes de réfrigération, l’utilisation de réfrigérants comme lubrifiants, à la place des huiles, simplifie la conception du système, l’allège et réduit son impact environnemental. La très faible viscosité du réfrigérant conduit à une épaisseur de film séparant les deux surfaces comparable à leur rugosité. Néanmoins, des travaux expérimentaux avec le réfrigérant R1233zd suggèrent que la lubrification est possible dans ces conditions grâce à la formation d’une couche adsorbée sur la surface d’oxyde de fer. Les analyses expérimentales in situ dans le contact sont très difficiles à cause des conditions de fort confinement et haute pression. C’est pourquoi une approche numérique multi-échelles est développée, afin d’étudier l’impact des réactions physico-chimiques à l’interface réfrigérant-surface sur les propriétés de lubrification. La théorie de la fonctionnelle de la densité est utilisée pour quantifier au niveau quantique, l’adsorption d’une molécule de réfrigérant sur une surface d’oxyde de fer. Des énergies de liaison allant de -0.92 eV à -0.22 eV sont observées et reliées à différents cas d’adsorption. Ces résultats sont exploités pour paramétrer un champ de forces interfacial, qui prédit des structures moléculaires à l’interface, différentes de celles obtenues avec des potentiels basés sur les règles de mélange classiques. Des simulations de dynamique moléculaire utilisant ce champ de forces paramétré confirment l’existence d’une couche fortement adsorbée de R1233zd sur une surface d’oxyde de fer. Avec des surfaces atomiques lisses et seulement 2 nm d’épaisseur de film de réfrigérant, les couches adsorbées résistent à des pressions allant jusqu’à 4 GPa et des vitesses de cisaillement atteignant 100 m/s. Une valeur minimale de 5 molécules de réfrigérant par nm² est nécessaire à la formation de deux couches adsorbées à 0.5 GPa. De plus, des simulations en cisaillement avec une surface rugueuse prédisent une rupture totale du film à environ 13 GPa. / In large refrigeration systems, using the refrigerant as lubricant instead of oil can help to simplify the design, lighten the systems, and reduce their environmental impact. However, the very low viscosity of refrigerants leads to ultra-thin films separating the surfaces, with a thickness comparable to surface roughness. Nevertheless, experiments with the R1233zd refrigerant suggests that lubrication is still possible in that situation thanks to an adsorbed layer formed on iron oxide surfaces. Experimental in situ analysis area is very difficult because of high confinement and high pressure. That is why a multiscale numerical approach is developed here, to explore the impact of chemical reactions and physical processes at the refrigerant-surface interface on large-scale lubrication properties. Density functional theory is used to quantify the adsorption of a refrigerant molecule on an iron oxide surface at the quantum level. Binding energies ranging from -0.92 eV to -0.22 eV are measured and related to different adsorption cases. These results are then used to parametrize an interfacial force field, whose predictions of interfacial molecular structure differs from those obtained using potentials based on standard mixing rules. Large-scale molecular dynamics simulations involving this parametrized force field confirm the existence of a strongly adsorbed layer of R1233zd molecules on iron oxide surface. With atomically smooth surfaces, and a refrigerant film thickness as small as 2 nm, the adsorbed refrigerant layers resists pressures as high as 4 GPa and sliding velocities as high as 100 m/s. A minimum value of 5 refrigerant molecules per nm² is necessary to the formation of two adsorbed layers at 0.5 GPa. Moreover, sliding simulations with a rough surface reveal total film breakdown for ca. 13 GPa.

Cette thèse est consacrée è la modélisation et a la simulation de l’ensemble PISTON /SEGMENT/ CHEMISE, d’un moteur thermique. Dans un moteur, le piston muni de segments est en mouvement relatif dans la chemise. Ce système est lubrifié par projection d’huile, les segments et la surface de la chemise “contrôlent” la quantité de lubrifiant restant sur la paroi. Pour modéliser ce phénomène, le modèle conservatif parabolique-hyperbolique d’Elrod-Adams (P − θ), prenant en compte la cavitation (présence de gaz dans le fluide, aspect multiphasique de l’écoulement), est couplé a un modèle de contact, celui de Greenwood-Tripp (basé sur une approche statistique de la surface). En se restreignant a l’écoulement et au contact, nous négligeons beaucoup de phénomènes physiques pouvant intervenir comme le grippage ou les effets thermiques. Dans une première partie, les phénomènes mécaniques sont étudiés, de la réalisation de la surface des chemises è la modélisation de la physique de la lubrification du contact segment/chemise. Cette étude expose les simplifications effectuées et le choix des conditions aux limites pour la prise en compte de la cavitation en tant que problème a frontière libre, notamment au niveau du débit d’entrée pour simuler un fonctionnement “normal”. Dans une deuxième partie, la mise en oeuvre et la modification de l’algorithme “classique” pour des surfaces mesurées sont décrites en détail. Nous présentons les performances simulées de différentes surfaces, et nous les comparons è des essais effectués par Renault. Dans une troisième partie, des modifications sont introduites au modèle (P − θ) utilisé précédemment afin de rendre l’écoulement cohérent avec le modèle de Navier-Stokes. Bien que ce nouveau problème puisse être posé en dimension 2, l’étude mathématique ne concerne que la dimension 1. On se ramène a un système dynamique dont les inconnues sont les frontières libres. L’unicité de la solution impose l’introduction d’un paramètre artificiel. Le comportement local et/ou global en temps est déterminé par les paramètres géométriques et les conditions aux limites. L’introduction de deux paramètres supplémentaires permet de démontrer l’existence et l’unicité de la solution. Dans une dernière partie, nous comparons le modèle de cavitation proposé avec le modèle P − θ. / This work deals with the modeling and simulation of contact between piston rings and liner of an engine. In the engine, the piston-rings are in relative motion with respect to the liner. This mechanism is lubricated and the purpose of this piston-ring system is to control sealing between combustion chamber and lower part of engine, keeping under control lubricant quantity on the surfaces. We modeled this phenomenon using the Elrod-Adams models (P-θ), which are conservative parabolic-hyperbolic models, taking into account the cavitation phenomenon (the presence of gas bubbles in fluid, so that it can be understood a multiphased flow) coupled with the Greendwood-Tripp model, which models the elastic contact by a statistical approach. When we focus on the modeling of the oil flow and asperity contacts, we neglect many physical phenomena like scuffing and thermal effects. In the first part, we focus on the kinematics of the engine, from the design to the different models to describe a lubricated contact. We explain all the simplifications in the engine body and the boundary conditions we use in the cavitation model to solve it as a free boundary problem, in particular for the choice of the flow rate to simulate a ``normal functioning''. In the second part, we describe the algorithm implementation and the required modifications when using real surface topography. We compare several surfaces and study the influence of simulation parameters, then we compare the result with experimental data obtained by Renault company. In the third part, we modify the (P-θ) model, to have the same flow rate in the cavitation zone as in the Navier-Stokes model. It can be studied in 2-dimensions, however we only explain the mathematical study in 1D. We study this model as a dynamical system for which the unknown variables are the free boundaries. The uniqueness is imposed by the addition of an adjustable parameter. The local and global behavior in time are determined by geometrical parameters and boundary conditions. In the last part, we compare the new cavitation model with the P-θ model.

L'objectif principal de cette thèse est de conduire, à travers une étude théorique et expérimentale, vers une meilleure compréhension des différents effets induits par la texturation de surface dans un contact lubrifié. Le but ultime est de proposer un motif de texture qui permette de réduire le frottement et le niveau de fuite d'une garniture mécanique. L'étude bibliographique a permis d'identifier les différents travaux théoriques et expérimentaux réalisés sur la lubrification en présence de textures, les phénomènes physiques interagissant avec les textures et les différentes méthodes utilisées pour leur mise en forme. Une étude théorique utilisant un modèle conservatif basé sur l'équation de Reynolds est ensuite présentée. Dans la première partie de cette étude, les faces de frottement sont supposées parfaitement parallèles et les effets thermoélastiques sont négligés. Dans la seconde partie, les échanges de chaleur avec les anneaux et les déformations thermoélastiques sont pris en compte. Une étude paramétrique a permis de mieux comprendre l'influence des paramètres géométriques des textures, des défauts de formes et des déformations thermoélastiques des faces sur le fonctionnement de la garniture. En outre, cette étude a permis de définir une texture capable d'améliorer significativement les performances d'une garniture mécanique. Des essais expérimentaux ont ensuite été réalisés avec une garniture mécanique texturée et une garniture mécanique non texturée. Des mesures de couple de frottement et des relevés de température effectués par thermographie infrarouge ont montré que l'utilisation des textures permet de réduire de manière significative la température et le couple de frottement par rapport à une garniture à surfaces lisses. Enfin, une comparaison théorie/expérimentation a permis de valider le modèle développé qui prédit de façon correcte le comportement de la garniture texturée. / The main objective of this thesis is to lead, through a theoretical and experimental study, to a better understanding of the various effects induced by surface texturing in lubricated contacts. The ultimate goal is to provide a texture pattern that reduces friction and leakage of a mechanical seal. The literature review identified different theoretical and experimental works performed on lubrication in the presence of textures, physical phenomena interacting with textures and the different methods used for their manufacturing. A theoretical study using a conservative model based on Reynolds equation is then presented. In the first part of this study, the friction surfaces are assumed perfectly parallel and thermoelastic effects are neglected. ln the second part, heat transfer to the rings and thermoelastic deformations are taken into account. A parametric study then allows bettering our understanding of the influence of geometrical parameters of textures, defects and thermoelastic deformations of the faces on the performance of a mechanical seal. In addition, this study has identified a texture capable of significantly improving the performance of a mechanical seal. Experimental tests were then carried out with bath textured and untextured mechanical seals. Friction torque measurements and temperature measurements achieved by means of infrared thermography have shown that the use of textures allows to significantly reduce heat and friction torque compared with a seal with smooth surfaces. Finally, a comparison theory/experiment validated the developed model that predicts correctly the behavior of the textured mechanical seal.

Les principaux mécanismes d'amortissement présents dans les transmissions par engrenages sont étudiés, en se basant sur une analyse transitoire du problème de lubrification élasto-hydrodynamique dans les contacts linéiques. Plusieurs modèles linéaires sont proposés suite à de nombreuses simulations numériques, permettant de prédire l’amortissement du lubrifiant dans les différentes conditions de contact, y compris les situations des pertes de contact momentanées suivies d’impact. Un modèle dynamique d’engrenage à un seul degré de liberté est présenté qui combine les contributions diverses du lubrifiant à l'amortissement structurel représentatif de la dissipation interne des engrenages. Un certain nombre de comparaisons avec des résultats expérimentaux est présenté pour une gamme de conditions de fonctionnement et de géométries d'engrenages, qui prouve la capacité du modèle à reproduire proprement le comportement dynamique des engrenages droits. On montre que l'amortissement associé au lubrifiant contribue essentiellement lors des pertes de contact et des chocs entre dentures se produisant au voisinage des vitesses critiques. Le cas des engrenages hélicoïdaux est analysé différemment du fait de l’absence de perte de contact pour ce type d’engrenage. Un modèle tridimensionnel simple est ainsi développé qui prend en compte la dissipation des différents éléments de la transmission. Un nombre de résultats est présenté qui, d'abord, confirme la contribution majeure de l'engrènement à l'amortissement global des engrenages droits, et, dans un second lieu, montre que les paliers constituent la principale source d'amortissement dans les transmissions par engrenages hélicoïdaux. / The primary damping mechanisms present in geared systems are investigated based on a transient analysis of the elasto-hydrodynamic lubrication problem for line contacts. Several linear models are derived from extensive numerical simulations, which make it possible to simulate the damping caused by the lubricant squeezing by the teeth with and without momentary contact losses and impacts. A one-degree-of-freedom gear dynamic model is set up which combines these lubricant damping sources along with structural damping that reproduces the internal dissipation in gear elements. A number of comparisons with benchmark experimental evidence are presented for a range of operating conditions and gear geometries, which prove that the proposed approach is sound in the case of spur gears. It is shown that the damping associated with lubricant squeezing contributes for the most part when contact losses and shocks between the teeth occur at critical speeds. The case of helical gears is analyzed differently since no contact loss occurs for such gears. A simple three-dimensional model is thus developed which accounts for the dissipation in the mechanical parts surrounding the gears. A number of results are presented which, first, confirm the primary contribution of the gear mesh to the overall damping in spur gears, and second, show that bearings constitute the main source of damping in helical gears transmissions.

De nombreux projets visant à réduire l’impact environnemental global des avions sont lancés au niveau européen. L’un des moteurs étudié pour les avions moyens et longs courriers est le moteur Ultra High Bypass Ratio (UHBR) : un moteur simple corps, double flux, à flux externe fortement augmenté. Le moteur UHBR doit être équipé d’un réducteur épicycloïdal, qui est un composant jamais utilisé dans un turboréacteur jusqu’à présent. L’optimisation d’un réducteur épicycloïdal a conduit à l’utilisation de paliers hydrodynamiques pour supporter les pignons satellites du porte-satellites.Pour une telle application, le palier hydrodynamique subit une déformation très élevée due aux charges de l’engrènement sur le pignon satellite et à l’effet centrifuge engendré par la rotation du porte-satellites. La géométrie optimisée des composants du palier varie avec le comportement thermique et mécanique des pièces, nécessitant la prise en compte d’une modélisation thermoélastohydrodynamique (TEHD).Afin de modéliser précisément ces phénomènes, un modèle conservatif dans la zone inactive en régime TEHD a été développé et validé à l’aide des résultats d’essais de la littérature et des bancs d’essais de Safran Transmission Systems. Les résultats obtenus montrent un double champ de pression dans le palier hydrodynamique du réducteur épicycloïdal, engendré par la forte déformation élastique du pignon agissant ainsi de façon significative sur le comportement dynamique du palier. De plus, l’influence de l’effet centrifuge sur l’huile dans le palier a été également examinée. / Several projects aimed at reducing the overall environmental impact of aircrafts are launched at European level. One of the engines studied for medium and long-haul aircraft is the Ultra High Bypass Ratio (UHBR) engine: a single-body, dual-flow gas turbine, with a greatly increased external flow rate. The UHBR engine must be equipped with an epicyclic reduction gearbox, which is a component never used before in a turbofan engine. The optimization of an epicyclic gearbox has resulted to the use of hydrodynamic bearings for supporting the satellite gears on the planet carrier.The hydrodynamic bearing of such application undergoes high deformations due to the gear contact loads on the satellite gear and to the centrifugal effect generated by the rotation of the planet carrier. The optimized geometry of the bearing components is influenced by the thermal and mechanical behavior of the bearing components, which requires a thermoelastohydrodynamic (TEHD) modeling taking into account the real film thickness under operation.In order to precisely simulate these phenomena, a conservative modeling in the inactive zone, under a TEHD regime has been developed and validated by comparing the predictions to the test results of the literature and of the test benches of Safran Transmission Systems. The results obtained show a double pressure field in the hydrodynamic bearing of the epicyclic reduction gearbox, due to the strongly deformed film thickness, which greatly affect the dynamic behavior of the bearing. In addition, the influence of the centrifugal force on the oil pressure in the oil film was also examined.

Ce travail de thèse met en évidence deux phénomènes microscopiques dissipatifs au voisinage de la ligne de contact dans les phénomènes de capillarité et d'adhésion. L'étude s'appuie sur des expériences dynamiques et des modélisations théoriques. La mesure expérimentale de quantités macroscopiques et la théorie hydrodynamique permettent d'extraire les informations dynamiques localisées au voisinage la ligne de contact. Les différents phénomènes dissipatifs localisés au voisinage de la ligne de contact ont pour origines les propriétés des substrats sur lesquels se déplace la ligne de contact. Pour une surface rigide hétérogène, nous avons développé un modèle rhéologique de la ligne de contact fondé sur l'hydrodynamique, permettant d'établir théoriquement l'évolution temporelle de la ligne de contact et de ses déformations. Une décomposition modale fondée sur la réduction de l'énergie par la théorie du chemin de réaction fournit une prédiction quantitative de la dynamique thermiquement activée de la ligne de contact, en accord avec l'expérience réalisée. Pour un substrat déformable, à partir de l'analyse de deux expériences différentes de mouillage dynamique et de l'estimation de la dissipation dans le substrat, fondée sur sa viscoélasticité, nous avons développé une compréhension générale du comportement dynamique d'une ligne de contact sur un substrat viscoélastique. Pour finir, ce modèle de dissipation viscoélastique est appliqué au cas de l'adhésion réversible, où expérimentalement nous mesurons la dynamique de pelage et de recollement sur un substrat viscoélastique. Cette extension à l'adhésion permet de relier les phénomènes interfaciaux en une compréhension générale / This thesis reveals two dissipative microscopic phenomena close to the contact line in the fields of capillarity and adhesion. The study is based on dynamic experiments and theoretical predictions. Experimental measurement of macroscopic quantities and the hydrodynamic theory give access to dynamic information located close to the contact line. The different dissipative phenomena, located close to the contact line, originate from the properties of the substrates on which the contact line moves. For a heterogeneous rigid surface, we have developed a rheological model of the contact line based on hydrodynamics, in order to theoretically establish the temporal evolution of the contact line and its deformations. A modal decomposition based on the reduction of the energy by the reaction path theory allows a quantitative prediction of the thermally activated dynamics of the contact line, in agreements with the experiment carried out. For a deformable substrate, based on the analysis of two different experiments of wetting dynamics and on the estimation of the dissipation in the substrate founded on its viscoelasticity, a general understanding of the dynamical behavior of contact lines on viscoelastic substrates is achieve. Finally, this viscoelastic model is applied to the case of weak adhesion, where experimentally we measured the peeling dynamics from a viscoelastic substrate. This extension to adhesion bridge the gap between different interfacial phenomena into a general understanding

Les paliers à feuilles sont des organes de guidage en rotation adaptés pour des rotors légers fonctionnant à des grandes vitesses de rotation. Leur fonctionnement ne nécessite aucun apport d’huile ni de graisse. Ces paliers sont réalisés avec une structure compliante. La présence de frottements dans la structure apporte l’amortissement nécessaire au système rotor-palier.Après une présentation de la technologie, un tour d’horizon des modèles existants et des limitations de chacun d’eux est exposé. Par la suite, un modèle non-linéaire du coussinet compliant est introduit. Dans ce modèle les feuilles sont considérées comme des solides élastiques. Les forces de frottement et les jeux entre les feuilles sont pris en compte par l’utilisation de la condition de non-interférence de Moreau-Signorini. Les efforts normaux et les forces de frottement sont calculés respectivement par la méthode des multiplicateurs de Lagrange augmentés et la méthode des pénalités. Ensuite, cette structure compliante est couplée au film fluide, traité par la résolution de l’équation de Reynolds en conditions de lubrification mixte.L’intérêt est ensuite accordé au palier dans sa globalité : structure déformable, film fluide, rotor. En régime statique, cette étude passe par l’analyse des démarrages du rotor puis de son fonctionnement à des hautes vitesses de rotation et sous de très fortes charges statiques. L’effet des erreurs d’usinage est mis en évidence. En régime dynamique, l’étude se fait par l’analyse non-linéaire d’un rotor de Jeffcott supporté par des paliers à feuilles. Les résultats montrent les limites de stabilité du système rotor-paliers et l’influence du balourd. / The foil bearings are used for guiding and supporting small rotors with high rotational speeds. Their operating functioning does not require any oil or grease. These bearings have a compliant structure. The presence of friction in the compliant structure brings damping, which is necessary for the rotor-bearing system operating at high speeds.After a presentation of the technology, an overview of the existing models and the limitations of each of them is exposed. Subsequently, a nonlinear model of the compliant structure is introduced. In this model, foils are considered as elastic solids. The friction forces and the gaps between the foils are taken into account by using the Moreau-Signorini non-interference condition. Normal forces and friction forces are calculated by using the augmented Lagrange multiplier method and the penalty method. Then, the compliant structure is coupled to the fluid film, dealt with the Reynolds equation for mixed lubrication conditions.The study is then focused on the bearing as a whole : compliant structure, fluid film, rotor. The start-up torque, the lift-off speed as well as operating conditions at high speeds and important static loads are part of the steady regime analyses. The effect of machining errors is highlighted. For the dynamic regime, the study consists of the non-linear analysis of a Jeffcott rotor supported by foil bearings. The results show the stability limits of the rotor-bearing system and the influence of unbalance.