Dynamique des systèmes d'entraînement par courroie synchrone intégrant des poulies à profils innovants

Dynamics of Timing belt drives comprising non circular pulley profiles

• Auteur / Autrice : Sébastien Passos
• Direction : Didier Rémond, Lionel Manin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 10/07/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• 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 : Dynamique et Contrôle des Structures
• Jury : Président / Présidente : Guilhem Michon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Rémond, Lionel Manin, Guilhem Michon, Alain Daidie, Roger Serra, Adeline Bourdon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Daidie, Roger Serra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Poulies

Vibrations

Courroies de distribution

Transmission par courroie

Mots clés libres

Mécanique appliquée

Poulies

Dsitribution

Courroie de transmission

Dynamique angulaire

Vibration mécanique

Modélisation numérique

Transmission de puissance

Comportement vibratoire

Impact mécanique

Dynamique non linéaire

Moteur à combustion interne

Dispositif expérimental

Transmission synchrone

Applied Mechanics

Pulley

Dsitribution

Belt

Belt transmissions

Rotational dynamics

Mechanical vibration

Numerical modelization

Power transmission

Vibratory behaviour

Mechanical impact

Non linear dynamic

Internal combustion engine

Experimental protocol

Synchronous transmission

Résumé

Dans le domaine automobile, l’utilisation de poulies ayant un profil primitif non circulaire (NC) est devenue chose courante pour la conception des façades de distribution par courroie synchrone des moteurs à combustion interne. Pour des paramètres de conception bien choisis (forme, calage angulaire), ces poulies innovantes permettent à priori de réduire l’impact vibratoire des sources d’excitation angulaire affectant la façade. La phénoménologie associée aux poulies NC s’avère toutefois complexe et difficile à prédire par le calcul. Le dimensionnement des façades équipées de ces dispositifs s’avère délicat mais primordial. Dans ce contexte, un modèle numérique adapté à la simulation de la dynamique angulaire des façades de distribution intégrant des poulies NC a été proposé. Ce modèle est fondé sur une approche discrète (0D/1D) inspirée de modèles classiquement utilisés pour l’étude des transmissions intégrant uniquement des poulies circulaires. La courroie est associée à un solide élastique 1D uniforme en prise sur l’enveloppe de solides 2D indéformables représentant les poulies. L’interaction poulie-courroie est concentrée aux points de tangence localisés aux frontières des brins de courroies. En ces points, s'exercent les efforts de tension résultant de l’élongation des brins. Le mouvement des points tangence, engendré par les poulies NC, est pris en compte par l’emploi d’une formulation originale pour le calcul de l'élongation des brins. Cette formulation est obtenue par l’application d’un bilan de matière opéré sur la courroie via une méthode Lagrangienne-Eulérienne. En parallèle de la Modélisation, des travaux expérimentaux ont permis d’analyser l’impact d’une poulie bilobée sur la dynamique angulaire d’une façade de distribution (moteur à 4 cylindres). Le dispositif expérimental utilisé a été spécialement développé dans le cadre de cette thèse. Son instrumentation permet une analyse complète du comportement en dynamique angulaire de la façade. Des comparaisons calculs/essais ont finalement permis de valider le modèle numérique proposé.

In response to ever-stricter requirements for internal combustion engine efficiency, noise and reliability, car manufacturers now commonly design Timing belt drives comprising innovative pulleys with non-circular (NC) profiles. For well-chosen design parameters (profile shape, angular phasing), the use of a NC pulley can considerably improve the vibratory performances of a timing belt transmission. Nevertheless, designing efficiently a belt transmission including NC pulleys remains hard to accomplish. To achieve this, it is important to clearly understand and identify the impact of such pulleys on the dynamic behaviour of Timing belt drives. In this context, a numerical model able to simulate the angular dynamics of Timing belt drives comprising NC pulleys has been developed. The model is based on a discrete approach (0D/1D), similar to the models of transmissions with circular pulleys only. The belt is modelled as a 1D linear elastic material (wire) and the pulley are considered as rigid bodies represented by rotary inertias. Rotations of the driven pulleys are the degrees of freedom of the discrete system. The pulley rotation is actuated by the effect of the belt span tensions applied at the belt/pulley seating/unseating points. In the case of a NC pulley, these points are mobile and their motion has to be tracked rigorously. To achieve this, a novel formulation has been written by establishing a feed-in/out balance on the belt spans using a Lagrangian-Eulerian method. In parallel to the numerical developments, experimentations have been performed for analysing the impact of an oval pulley on Timing belt drive angular dynamics (4 cylinder engine). The experimental test rig has been fully developed during this thesis. It is equipped with numerous sensors that enable a complete analysis of belt transmission angular dynamics. Finally, comparative analyses have shown a quite good agreement between experiments and simulations.