Modélisation du comportement mécanique des engrenages en polymère

par Eric Letzelter

Thèse de doctorat en Mécanique

Soutenue le 10-02-2011

à Lyon, INSA, dans le cadre de Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique - MEGA, en partenariat avec LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Solides (laboratoire) .

Le président du jury était Régis Bigot.

Le jury était composé de Michèle Guingand, Jean-Pierre De Vaujany, Régis Bigot, Marc Sartor, Yves Remond, Antoine Chateauminois, Catherine Gauthier.

Les rapporteurs étaient Marc Sartor, Yves Remond.


  • Résumé

    Les engrenages en matériau polymère sont de plus en plus utilisés dans des domaines variés, notamment dans des applications automobiles, où il est courant de trouver des engrènements polymère / métal ou polymère / polymère. Pour bon nombre d’applications, les polymères choisis pour réaliser des engrenages moulés ou taillés sont des semi-cristallins de type polyamides (nylon). Néanmoins, leur caractère viscoélastique introduit une difficulté supplémentaire dans la modélisation. En effet, le comportement viscoélastique des polymères dépend de la température et de la vitesse de rotation. Pour les Polyamides, il dépend également de l’humidité. Par conséquent, la viscoélasticité peut influencer 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 6,6 est proposée. L’approche développée utilise le modèle rhéologique linéaire de Kelvin généralisé pour simuler le comportement viscoélastique du matériau et prendre en compte la température, la vitesse de rotation et l’humidité. 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. Enfin, un banc expérimental avec des engrenages en Polyamide 6,6 est développé et fabriqué dans le cadre de cette thèse. Il permet d’obtenir deux résultats : la température de l’engrenage pendant son fonctionnement et l’erreur de transmission sous charge. Cette dernière permet de valider le modèle quasi-statique du partage des charges.

  • Titre traduit

    Mechanical behaviour model in the case of polymer cylindrical gears


  • Résumé

    Polymer gears are increasingly used, especially in automotive applications, where it is common to find meshing polymer / metal or polymer / polymer.For many applications, the polymer selected to produce gears by cutting or by injection moulding is polyamide (nylon) which has semi-crystalline structure. However, the viscoelastic character of Polyamide material introduces an additional difficulty in modeling. Indeed, the viscoelastic behavior of polymers is temperature and rotation speed dependent. In addition for polyamides, it also humidity dependent. Therefore, viscoelasticity influences the load sharing, the load transmission error, the meshing stiffness... In this thesis, an original numerical method modeling the mechanical behavior of polyamide 6.6 gears is proposed. This approach uses the linear rheological model of generalized Kelvin to simulate the viscoelastic behavior of the material and take into account the temperature, speed and humidity. The rheological model is integrated into the quasi-static load sharing model developed by the LaMCoS. This process provides the essential results for gears (load sharing, contact pressure, load transmission error, meshing stiffness) with short computation time. Finally, an experimental test bench with Polyamide 6.6 gears is developed. It provides two experimental results: the temperature of the gear during operation and the load transmission error which validates the quasi-static load sharing model

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