Modélisation thermique d'un train épicycloïdal lubrifié par barbotage

Thermal modeling of splash lubricated planetary gears

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Boni
• Direction : Christophe Changenet, Fabrice Ville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 24/01/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Systèmes Mécaniques et Contacts
• Jury : Président / Présidente : Michel Fillon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Changenet, Fabrice Ville, Michel Fillon, François Robbe-Valloire, Monica Siroux, André Simonneau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Robbe-Valloire, Monica Siroux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tribologie (technologie)

Lubrification

Engrenages planétaires

Mécanique appliquée

Mots clés libres

Mécanique

Engrenage

Train épicycloidal

Train d'engrenage planétaire

Lubrification

Perte de puissance

Traînée

Thermique

Barbotage

Modélisation thermique

Optimisation

Mechanical behaviour

Gear

Epicyclic gears

Planetary gears

Lubrication

Power losses

Drag losses

Thermal Behaviour

Thermal modeling

Optimisation

Résumé

Les transmissions de puissance par trains épicycloïdaux sont courantes dans l'industrie du transport et de la manutention : elles procurent un fort rapport de réduction dans un volume toujours plus réduit, ce qui est un atout pour les industriels toujours plus attentifs à leur impact écologique. Cependant cette diminution de volume implique une augmentation de la puissance massique au sein de ces transmissions. Dans la cas où cette transmission est lubrifiée par bain d’huile ou barbotage, la problématique de la thermique devient alors un enjeu majeur car elle ne permet plus un refroidissement de la transmission, contrairement à la lubrification par injection. Elle apporte aussi une nouvelle source de perte par traînée, appelée perte par barbotage, qui ajoute à la production de chaleur produite par le frottement aux dentures et les roulements. Cette lubrification apporte cependant une facilité de maintenance utile pour des applications comme le transport. Ainsi, la modélisation thermique d'un tel train lubrifié par barbotage semble une nécessité pour estimer jusqu'à quel point ce type de lubrification est viable pour des transmissions par train épicycloïdal fortement chargé. Aucun modèle de prédiction des pertes de puissances, spécifiques à un train épicycloïdal en barbotage, n’est donné dans la littérature et la modélisation thermique a toujours porté sur de la lubrification par injection. Dans un premier temps, un modèle de prédiction des pertes par barbotage a été développé sur un banc d’essais en laboratoire pour, dans un second temps, modéliser thermiquement un réducteur de vitesse industriel en vue de l’optimiser sur plusieurs aspects : impact de la tribologie sur la thermique et optimisation du volume d’huile. Au regard des résultats présentés dans ce manuscrit, le modèle de pertes par barbotage prédit convenablement la perte pour plusieurs huiles testées ; le modèle thermique simule alors bien la thermique du réducteur et semble être un bon outil pour optimiser le réducteur industriel.

Planetary gears are widely used inside power transmissions, especially in the transport or heavy industry: they provide a substantial reduction ratio while keeping a minimal volume, which is a benefit for the industry in a ecological point of view. Yet, this diminution in volume comes with an augmentation of the thermal mass power inside the tranmission. When this transmission is splash lubricated, the thermal response of the system becomes a crucial problem because it cannot provide the sufficient cooling that the injection lubrication does. Moreover it adds up another source of power loss with the drag loss of the rotating parts, that heats the transmission as well. That type of lubrication is nonetheless easy to maintain unlike the injection. Thus, the thermal modeling of such transmission seems a necessity in order to estimate the conditions until this type of lubrication is viable, especially when heavily loaded. The litterature provides little to no model to predict to drag power losses in a planetary gear set, especially since it mainly dealt with oil injected ones. So, the first step is to developp a dedicated power loss prediction model for drag losses occuring in a planetary gear set. This has been done using a dedicated test rig. The second step uses this prediction model to developp a thermal model of an industrial reducer, using the thermal network method. This has been donc in order to optimize multiple aspects: the impact of the tribology on the thermal response of the reducer and the optimization of the oil volume inside the splash lubricated reducer. In regards to these results, the power loss prediction model for drag loss seems to be robust ; the thermal model simulates correctly the thermal response of the reducer and is a powerful tool to optimize the industrial reducer.