Soutenance de thèse : Rémy DUQUESNE

Modélisation multi-échelle des roulements oscillants : prédiction de l'usure induite par les sollicitations de fretting roulant

Doctorant : Rémy DUQUESNE

Laboratoire INSA :  LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Les roulements oscillants, à la différence des roulements conventionnels utilisés dans la plupart des applications, effectuent des rotations alternées de faible amplitude plutôt que des rotations continues. Ces roulements sont notamment présents au niveau des pieds de pales d'éoliennes ou dans les hélices d'avion, où ils permettent d'ajuster l'angle d'attaque des pales du rotor en fonction des conditions de vent ou de la phase de vol. Ces conditions de fonctionnement particulières entraînent des mouvements de roulement alternés des billes sur les pistes, correspondant à des sollicitations de contact de type fretting roulant. Ces roulements présentent un défi majeur en matière de lubrification : en raison des faibles vitesses et amplitudes de fonctionnement, ils évoluent dans un régime limite ou mixte de lubrification, ce qui favorise l'usure prématurée des surfaces et réduit leur durée de vie. Par ailleurs, ces roulements sont soumis à des efforts et des moments de renversement particulièrement élevés, nécessitant un montage par paires afin d'accroître la rigidité de l'assemblage et d'améliorer la distribution des efforts. Ce travail vise à développer des outils numériques capables d'évaluer la répartition des efforts dans les roulements et de prédire les risques d'usure dans les contacts. Trois codes de calcul successifs ont ainsi été élaborés, couvrant des échelles allant de la plus macroscopique à la plus microscopique. Le premier code (désigné code « macro ») calcule, à partir des efforts appliqués sur la pale, les efforts transmis à chacun des roulements de l'assemblage ainsi que la distribution interne des charges dans chaque roulement. L'équilibre de la pale, supportée par les deux roulements, est résolu numériquement par la méthode de Newton-Raphson, sans prise en compte des efforts de frottement aux contacts bille-piste. Le second code (désigné code« micro ») se focalise sur un unique roulement soumis aux efforts extérieurs déterminés par le premier modèle. Ce dernier inclut les efforts tangentiels de frottement dans l'équilibre global du roulement et permet de déterminer les micro-glissements de corps rigide qui apparaissent dans les zones de contact lors de la rotation du roulement. Ces résultats servent ensuite de données d'entrée au troisième code, un modèle basé sur des méthodes semi-analytiques qui résout successivement les problèmes de contact normal et tangentiel d'une bille roulant sur une piste conforme. Ce modèle permet d'évaluer les contraintes de cisaillement dans la zone de contact lors de mouvements de roulement continus (régime permanent) ou alternés (régime transitoire) de la bille sur la piste. L'analyse en régime transitoire donne accès à l'énergie dissipée lors des sollicitations en fretting roulant et conduit à l'identification des régions les plus susceptibles de s'user dans les zones de contact. Parallèlement à ces développements numériques, des essais expérimentaux ont été menés sur un tribomètre bille-plan à mouvement alternatif afin de mesurer le coefficient de frottement pour différentes configurations d'essais. En particulier, l'influence du couple matière, des états de surface, de la pression de contact ou encore de l'amplitude et de la fréquence des oscillations a été étudiée. Les valeurs de coefficient de frottement obtenues alimentent ensuite le code « micro » et le code de contact.