Developing a power dissipation model for planetary roller screws

par Sebastian Sandu

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Daniel Nélias.

Le président du jury était Jean-Marc Linares.

Le jury était composé de Daniel Nélias, Jean-Marc Linares, Matthew Jones, Jean-Charles Maré, Nans Biboulet, Michele Guingand.

Les rapporteurs étaient Matthew Jones, Jean-Charles Maré.

  • Titre traduit

    Développement d'un modèle de dissipation de puissance pour les vis à rouleaux planétaires


  • Résumé

    Les vis à rouleaux convertissent la rotation en translation de manière très efficace et sont utilisées dans des nombreuses industries. Mais même s'il présente beaucoup d'avantages, le mécanisme reste complexe et relativement difficile à comprendre. Le principal but de cette thèse est de quantifier la puissance dissipée par les vis à rouleaux standard et inversées, qui est un résultat important pour toute étude liée à l'efficacité ou la distribution de température. De plus, il s'agit d'un critère de conception dans le choix de paramètres optimaux pour une certaine application. À cause des travaux peu nombreux en termes de recherche et des hypothèses restrictives faites dans la littérature courante, ce mémoire commence avec une analyse géométrique de base du mécanisme et envisage de généraliser les équations des surfaces filetées pour les différents types de profils et conditions de jeu. La position des points de contact peut ensuite être déduite avec un algorithme de type Newton-Raphson très rapide. Cette information est cruciale pour toute étude ultérieure de force. Après, les équations classiques de Hertz sont adaptées à des contacts peu conformes pour déterminer la forme, les dimensions et l'orientation des ellipses de contact rouleau-vis et rouleau-douille. Il est prouvé que les directions principales de courbure obtenues ici par géométrie différentielle sont différentes de celles supposées dans les précédents travaux de recherche. Ensuite, la cinématique du mécanisme est étudiée avec un modèle stationnaire, qui établit des liens entre les mouvements uniformes de tous les composants et permet de calculer d'une manière simplifiée le champ de vitesse de glissement en tout point de l'aire de contact. Le mouvement local apparaît comme une combinaison de spin et de glissement uniforme. Le modèle est calibré sur un seul degré de liberté qui prend la forme d'un quotient de glissement, qui dépend de conditions de lubrification et équations d'équilibre dynamique. Un banc expérimental est conçu pour mesurer ce quotient et permettre donc la comparaison avec des valeurs numériques, ainsi que les quelques modèles analytiques disponibles dans la littérature. Les résultats montrent que les mesures sont très proches des conditions de fonctionnement idéales, ce qui fait que les propriétés du lubrifiant et les coefficients de frottement deviennent les paramètres les plus influents dans le peu de marge disponible pour l'amélioration cinématique. Finalement, un modèle numérique en forces est développé et permet de calculer la puissance dissipée pendant l'équilibre stationnaire. L'algorithme itératif détermine d'abord le quotient de glissement atteint à l'équilibre et utilise ensuite le résultat pour déduire les autres variables cinématiques et dynamiques liées au calcul. Une étude paramétrique est réalisée dans le but d'identifier les facteurs importants pour l'efficacité et la puissance dissipée, ainsi que leur contribution relative.


  • Résumé

    Roller screws are highly efficient rotation-translation converters used in a variety of industries. Despite its numerous advantages, the mechanism remains complex and rather difficult to understand. The main goal of this thesis is to quantify the amount of power dissipated by standard and inverted roller screws, which is an important result for any study related to efficiency or temperature distribution. Furthermore, it is used as a design criterion in choosing optimal parameters for a given application. Due to the limited amount of available research and the restrictive assumptions made in current literature, this memoir starts with a basic geometric analysis of the mechanism and attempts to generalize threaded surface equations for different types of profiles and backlash conditions. The contact point locations can then be deduced using a very fast Newton-Raphson algorithm. This information is crucial for any subsequent force analysis. Classic Hertzian equations are then adapted to slightly conforming contacts in order to calculate the shape, size and orientation of the roller-screw and roller-nut contact ellipses. It is shown that the principal directions of curvature obtained here by differential geometry are different from the ones assumed by previous research. Next, the mechanism kinematics is investigated using a stationary model, which relates the steady-state movement of all the different components and allows a simplified calculation of the sliding velocity field at any point within the contact areas. The local motion proves to be a combination of spin and uniform sliding. The model is set to have only one degree of freedom in the form of a slip ratio, which depends on lubrication conditions and force balance equations. An experimental setup is designed to measure this ratio and thus allow comparison to numerical values, as well as the few analytical models available in the literature. Results show that measurements are very close to ideal operating conditions, which makes lubricant properties and friction coefficients the most influential parameters in the little room available for kinematic improvement. Finally, a numerical force model is developed, which calculates the power dissipated during the steady-state regime. The iterative algorithm first determines the value of the slip ratio reached during stationary equilibrium and then uses the result to deduce the other kinematic and dynamic unknowns involved. A parametric study is conducted to identify the important factors in efficiency and power dissipation, as well as their relative influence.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible sur intranet à partir du 07-12-2024

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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2018 par DocINSA à Villeurbanne

Developing a power dissipation model for planetary roller screws


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Informations

  • Sous le titre : Developing a power dissipation model for planetary roller screws
  • Détails : 1 vol. (84 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.81-84
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