Le roulement est un élément essentiel dans la conception des machines tournantes. À l'échelle industrielle, sa défaillance peut avoir de coûteuses conséquences. La maintenance prédictive sert à minimiser les coûts d'entretien et à prévenir de l'état de fatigue du composant mécanique. Dans ce cadre, nous proposons une étude de l'endommagement par fatigue de contact de roulement appliquée au cas des butées à billes. Cette étude se structure en deux axes : numérique et expérimental. Le premier consiste à établir une modélisation numérique tridimensionnelle dynamique du passage cyclique d'une bille sur une bande de roulement en présence d'un indent, en utilisant la méthode des éléments finis. L'estimation de l'évolution de la taille d'un défaut d'écaillage initié en surface en fonction des cycles de chargement est effectuée. Ces résultats sont en adéquation avec les essais en laboratoire effectués dans les mêmes conditions à l'aide d'un banc d'essais de fatigue dédié aux butées à billes. Le deuxième axe consiste à déterminer un indicateur vibratoire utilisant l'analyse modale et permettant d'estimer le niveau d'endommagement de la butée à billes in situ en présence d'indent. La technique développée dans ces travaux permet de suivre l'évolution des valeurs de l'amortissement modal en fonction des cycles de vie, évolution déterminée à partir des essais en modes statique et dynamique. Cette étude contribuera à l'estimation de la durée de vie résiduelle du composant mécanique après apparition d'un écaillage en surface, en utilisant la méthode des éléments finis et en prenant compte de l'état d'endommagement de la structure. / The bearing is an essential element in the design of rotating machines. In an industrial context, bearing failure can have extremely costly consequences. Predictive maintenance minimizes the intervention costs and warns about the state of fatigue of the mechanical component. In this frame, we propose a study of the rolling contact fatigue damage applied to thrust ball bearings. This study is twofold: numerical and experimental. The first axis consists in establishing a dynamic three-dimensional numerical model of the cyclic shift of a ball on a running surface in the presence of an indent, using the finite element method. An estimation of the size evolution of a surface initiated spall depending on loading cycles is also performed. These results are consistent with laboratory tests executed in the same conditions using a fatigue test rig dedicated to ball bearings. The second axis consists in determining a vibratory indicator using modal analysis to estimate the on-line structural damage level of the ball bearing in the presence of an indent. The technique developed in this work enables monitoring the evolution of the modal damping values based on the life cycles determined from tests in static and dynamic modes. This study will contribute to estimate the residual life of the mechanical component after onset of a spall using the finite element method and accounting for the structural damage state.

<p>Detta examensarbete har utförts på Fläktwoods AB i Växjö, som producerar stora axialfläktar för olika industriapplikationer. Syftet är att öka kunskapen om fettsmorda axiella kullager genom FE analyser.</p><p>Projektet har genomförts i fem delsteg för att avgöra påverkan av en eller några få parametrar i taget. De studerade parametrarna är: elementstorlek, kontaktstyvhet, last, lagergeometri (dvs. oskulation), ickelinjär geometri och ickelinjära materialegenskaper (dvs. plasticitet).</p><p>Slutsatsen är att elementstorleken bör väljas fint nog för att ge ett jämnt resultat men grovt nog för att beräkningstiden skal vara rimlig. Kontaktstyvheten har inte stor, men tydlig, inverkan på kontakttrycket och penetrationen. Förändringar av oskulationen leder till förändringar i kontaktellipsens form medan olika laster inte påverkar formen på ellipsen, utan snarare storleken. När det handlar om plasticitet är sträckgränsen den viktigaste faktorn att beakta.</p> / <p>This thesis project was carried out at Fläktwoods AB in Växjö who produces large axial fans for different industry applications. The purpose is to increase the knowledge of grease lubricated axial ball bearings through FE analyses.</p><p>The project was executed into five sub steps to determine the influence of one or few parameters at a time. The studied parameters are: mesh density, contact stiffness, load, bearing geometry (i.e. osculation), geometrical nonlinearity and material nonlinearity (i.e. plasticity).</p><p>It is concluded that the mesh density should be selected fine enough to give a smooth result but course enough to give a reasonable calculation time. The contact stiffness has not a major, but a clear, impact on the contact pressure and penetration. Changes of the osculation lead to changes of the contact ellipse shape and applying different load level does not affect the shape of the ellipse but rather the size. When dealing with plasticity the yield strength is the most important factor to take in consideration.</p>

Detta examensarbete har utförts på Fläktwoods AB i Växjö, som producerar stora axialfläktar för olika industriapplikationer. Syftet är att öka kunskapen om fettsmorda axiella kullager genom FE analyser. Projektet har genomförts i fem delsteg för att avgöra påverkan av en eller några få parametrar i taget. De studerade parametrarna är: elementstorlek, kontaktstyvhet, last, lagergeometri (dvs. oskulation), ickelinjär geometri och ickelinjära materialegenskaper (dvs. plasticitet). Slutsatsen är att elementstorleken bör väljas fint nog för att ge ett jämnt resultat men grovt nog för att beräkningstiden skal vara rimlig. Kontaktstyvheten har inte stor, men tydlig, inverkan på kontakttrycket och penetrationen. Förändringar av oskulationen leder till förändringar i kontaktellipsens form medan olika laster inte påverkar formen på ellipsen, utan snarare storleken. När det handlar om plasticitet är sträckgränsen den viktigaste faktorn att beakta. / This thesis project was carried out at Fläktwoods AB in Växjö who produces large axial fans for different industry applications. The purpose is to increase the knowledge of grease lubricated axial ball bearings through FE analyses. The project was executed into five sub steps to determine the influence of one or few parameters at a time. The studied parameters are: mesh density, contact stiffness, load, bearing geometry (i.e. osculation), geometrical nonlinearity and material nonlinearity (i.e. plasticity). It is concluded that the mesh density should be selected fine enough to give a smooth result but course enough to give a reasonable calculation time. The contact stiffness has not a major, but a clear, impact on the contact pressure and penetration. Changes of the osculation lead to changes of the contact ellipse shape and applying different load level does not affect the shape of the ellipse but rather the size. When dealing with plasticity the yield strength is the most important factor to take in consideration.