Caractérisation tribodynamique de la bruyance denture pour la gestion du confort acoustique des conditions d’engrènement en fabrication

Tribodynamic characterization of gear tooth noise to manage the acoustic comfort of meshing conditions in manufacturing

• Auteur / Autrice : Simon Jolivet
• Direction : Mohamed El Mansori, Hassan Zahouani, Sabeur Mezghani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 27/11/2015
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Mechanics surfaces and materials processing (MSMP)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Kapsa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed El Mansori, Hassan Zahouani, Sabeur Mezghani, Edoardo Sura, François Riot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christopher Brown, Khalid Lafdi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Vibrations -- Essais

Engrenages

Mots clés libres

Engrenage

Bruyance denture

Bruit de frottement

Vibrations

Caractérisation de surface

Simulation éléments finis

Gears

Gear noise

Friction noise

Vibrations

Surface characterization

Finite elements simulation

Résumé

Les standards d’économie de carburant à venir génèrent un développement rapide des véhicules électriques et hybrids. Ces contraintes régulatrices vont affecter le design des boîtes de vitesse qui conduit à des changements au niveau du type, de la taille et de la qualité des engrenages. Ainsi, les fabricants de roues dentées ont besoin de créer des flancs de dentures de haute qualité avec des modifications topologiques spéciales. Les objectifs principaux sont l’accroissement de la capacité de tenue en chargement et la réduction de la bruyance denture. En effet, la surface des flancs est au cœur des mécaniques de l’engrènement et un des éléments générateur d’excitations. Les mécanismes d’usure les plus communs sont les micro-piqûres, les piqûres et l’écaillage, qui apparaissent dans les premières étapes de défaillance. Bien que les effets des défauts macro-géométriques des surfaces des flancs de denture ont été largement étudiés, les échelles micro- et méso-métriques et leur influence n’est pas encore entièrement compris. De plus le choix et l’optimisation de procédé de finition denture (rectification, powerhoning…) pour améliorer le confort acoustique des conditions d’engrènement reste une issue majeure dans la fabrication des engrenages. Ces travaux proposent une approche multiéchelle de la fabrication, à la fois expérimentale et numérique, dans le but d’identifier l’effet d’échelle des défauts micro- et méso-métriques sur les vibrations de l’engrenage. Un banc d’essai vibratoire instrumenté de faible puissance a été développé et validé par la comparaison de mesures sur boîte de vitesse sur un moyen industriel Renault. Les études expérimentales des relations entre la finition des surfaces des flancs, caractérisée par l’utilisation d’une décomposition multiéchelle basée sur la transformée par ondelettes continues, et les modes vibratoires générés mettent en avant un impact non-négligeable de des échelles de rugosité et d’ondulation. Les mesures de bruit de frottement sur les flancs ont par ailleurs permis de comprendre le lien entre la cinématique du contact (vitesse), les échelles de surface (espacement entre aspérités) et les fréquences vibratoires. Une simulation 3D d’un contact rugueux a alors été développée. Les résultats couplés avec une analyse statistique des contributions des paramètres surfaciques et de contact ont montré un large effet des échelles micrométriques. Enfin, un modèle éléments finis d’un engrenage hélicoïdal intégrant des topographies réelles mesurées et calculant l’erreur de transmission a aussi été développé et validé expérimentalement. L’importance de la qualité des engrenages et de leurs caractéristiques topologiques sur la densité de puissance et les problématiques acoustiques a alors été calculée et discutée.

Upcoming fuel economy standards result in the rapid development of electric and hybrid vehicles. Such regulatory demands will affect the transmission design, which drives changes in the type, size and quality levels of gears. Thus, gear manufacturers need to create high quality gear flanks with special topological modifications. The main objectives are to increase the load-carrying capacity of gears, and also to reduce the gear noise behavior. The teeth surface is indeed at the heart of the gear meshing mechanics and one of the elements generating excitations. The most common wear mechanisms in gear are micro-pitting, pitting and spalling, which occur on the teeth surface at the early stage of failure. While the effect of the macro-geometric defects of the gear teeth surface on the acoustics response of spur gear pair has been studied quite thoroughly, the micro and meso scales and their influence are not entirely understood. Moreover, the choice and optimization of the tooth flank finishing process (grinding, powerhoning…) to manage the acoustic comfort of the meshing conditions is still a major issue in gear manufacturing. This study addresses a multiscale manufacturing approach, both experimental and numerical, in order to identify the scale effect of micro/meso defects on gear vibrations. A low-powered instrumented vibratory test bench has been developed and validated by comparing the measurements with the ones done at the industrial scale on a gear box test rig from Renault. The experimental work investigated the relationship between the surface finish of tooth flanks, which was characterized using a multiscale decomposition based on continuous wavelet transform, and the modes of the generated vibrations as a function of roughness and waviness scales. The friction noise measurements on tooth flanks have besides permitted to understand the link between the contact kinematics (speed), the surface scales (space between the asperities) and the vibration frequencies. A 3D finite-element simulation model of a rough contact was hence developed. The results coupled with the statistical analysis of the contributions of the surface and contact parameters have shown the large effect of the micro-scales. A 3D finite-element gear simulation using real measured topographies and transmission error calculation has also been performed and experimentally validated. The prevalence of the gear quality and its topological features on power density and sound issues are hence computed and discussed.