Surveillance in situ et temps réel des charges pour une estimation de la durée de vie utile restante des boîtes de vitesses automobiles : Estimation du niveau d'endommagement de composants de boîtes de vitesses basée sur une acquisition du couple

Online and real-time load monitoring for remaining service life prediction of automotive transmissions : damage level estimation of transmission components based on a torque acquisition

• Auteur / Autrice : Stéphane Foulard
• Direction : Mohamed Ichchou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 30/06/2015
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon en cotutelle avec Technische Universität (Darmstadt, Allemagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Ayech Benjeddou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joël Perret-Liaudet, Stephan Rinderknecht
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Beidl

Mots clés

Mots clés contrôlés

Durée de vie (ingénierie)

Engrenages

Automobiles -- Boîtes-ponts

Mots clés libres

Boîtes de vitesses automobile

Conception légère

Durée de vie restante

Endommagement

Engrenages

Acquisition de couples

Observateur d’état

Beobachter

Drehmomenterfassung

Fahrzeuggetriebe

Leichtbau

Restliche Lebensdauer

Schadigung

Zahnrader

Automotive transmission

Damage

Gearwheels

Lightweight design

Remaining service life

State observer

Torque acquisition

Résumé

Ce travail de recherche propose le développement et la validation d’une méthode de prédiction in-situ et temps réel de la durée de vie utile restante des engrenages de boîtes de vitesses automobiles de série. Cette méthode est destinée à être implantée dans des unités de commande électronique standards. En s’attachant tout particulièrement à proposer une solution simple, fiable, rentable et facilement transposable pour tout type de configuration, le système se base sur la combinaison d’une méthode d’acquisition des couples agissants sur la boîte de vitesses et d’une estimation continue des niveaux d’endommagement des engrenages. Un état de l’art et les fondamentaux théoriques d’une estimation de l’endommagement par une approche de contrainte nominale et une accumulation linéaire des endommagements partiels sont abordés dans un premier temps. La structure globale de l’algorithme de calcul de l’endommagement est ensuite étudiée et l’approche méthodologique adoptée pour sa mise au point expliquée. Cette dernière repose en grande partie sur un modèle complet de véhicule valide par des essais sur route et des mesures, où une attention toute particulière est portée à la représentation des changements de rapport et de la dynamique de la boîte de vitesses. Deux types de boite de vitesses sont alors considérées, une boite manuelle standard et une boite à double embrayage, et une spécification technique pour la configuration de l’algorithme ainsi qu’une analyse des besoins pour la méthode d’acquisition des couples sont formulées. En se basant sur ces études, un observateur d’état capable de reconstruire le couple agissant sur les disques d’embrayage ainsi que le couple en sortie de boite est développé et valide. Finalement, une synthèse de la méthode complète et de l’algorithme final est adressée, et les avantages économiques et écologiques liés à l’introduction de cette méthode pour des mesures de conception légère des boîtes de vitesses automobiles sont abordés et évalués.

Kurzfassung Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung einer Online- und Echtzeit-Methode zur Vorhersage der restlichen Lebensdauer von den Zahnradern eines Kraftfahrzeuggetriebes. Diese Methode ist fur eine Implementierung auf Standard-Steuergeraten vorgesehen. Durch die Fokussierung auf eine einfache, zuverlassige und leicht zu implementierende Losung beruht die Methode auf der Kombination aus einer Drehmomenterfassungsmethode und einer kontinuierlichen Vorhersage des Schadigungsniveaus der Zahnrader. Zuerst werden der Stand der Technik und die theoretischen Grundlagen von Schadigungsberechnungen basierend auf dem Nennspannungskonzept und einer linearen Schadensakkumulation dargestellt. Danach wird die globale Struktur des Schadigungsberechnungsalgorithmus gezeigt und die fur die Entwicklung ausgewahlte methodische Vorgehensweise erlautert. Diese bezieht sich grundsatzlich auf ein durch Testfahrten und Messungen verifiziertes Antriebsstrangmodell, welches besonders die Schaltungen und die Dynamik des Getriebes berucksichtigt. Ein Serien-Handschaltgetriebe und ein Serien-Doppelkupplungsgetriebe werden betrachtet. Fur diese zwei Getriebetypen werden eine Anforderungsanalyse zur Konfiguration des Algorithmus sowie eine Anforderungsspezifikation fur die Drehmomenterfassungsmethode durchgefuhrt. Auf Basis dieser Untersuchungen wird dann ein Zustandsbeobachter zur Rekonstruktion des Kupplungs- und Getriebeausgangsdrehmoments entwickelt und validiert. Infolgedessen werden eine Synthese der kompletten Methode und die Endversion des Algorithmus vorgestellt. Abschliesend werden die Wirtschaftlichkeit sowie die okologischen Vorteile in Bezug auf die Einfuhrung der Lebensdauermonitoringmethode im Rahmen von Leichtbaumasnahmen diskutiert und bewertet.

This research work proposes the development and the validation of an online and real-time method to predict the remaining service life of the gearwheels of automotive transmissions, with the aim of implementing it on standard control units of series-production vehicles. By focusing on the proposition of a simple, reliable and easy-to-implement solution, the system relies on the combination of an acquisition method of the torques acting in the transmission and a continuous estimation of the damage levels of the gearwheels. Firstly, a state of the art and the theoretical basics are presented concerning a damage estimation based on a nominal stress concept and a linear damage accumulation. The global structure of the damage estimation algorithm is then analyzed and the methodological approach adopted for its development is explained. This is based in principal on a drivetrain model, validated with tests and measurements, where a particular attention is paid to the representation of the gear shifts and the transmission dynamics. Two types of transmissions are considered, namely a standard manual transmission and a dual clutch transmission mounted in series-production cars. Respectively a requirement analysis for the configuration of the algorithm as well as a requirement specification for the torque acquisition method are performed. On this basis, a state observer is developed and validated, which is able to reconstruct the clutch torque and the transmission output torque. Finally, a synthesis of the complete method and the final version of the algorithm are addressed, and the economic and ecological advantages of the introduction of the method in the context of lightweight design measures are discussed and evaluated.