Influence de la dégradation des huiles de transmission sur les performances tribologiques et l'efficacité de la boîte de vitesses

Influence of gear transmission oils degradation on tribological performance and gearbox efficiency

• Auteur / Autrice : Büşra Duran
• Direction : Fabrice Ville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 05/12/2024
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• 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 : SMC - Systèmes Mécaniques et Contacts
• Jury : Président / Présidente : Daniele Dini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Ville, Daniele Dini, Jorge Oliveira Seabra, Myriam Lazard, David Philippon, Arnaud Ruellan Du Créhu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jorge Oliveira Seabra, Myriam Lazard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Engrenages

Lubrification

Mécanique appliquée

Mots clés libres

Mécanique

Dégradation des huiles

Transmission par engrenage

Viscosité

Additifs

Frottement

Perte de puissance

Comportement thermique

Propriété rhéologique

Propriété chimique

Propriété tribologique

Mechanics

Oil degradation

Gear transmission

Viscosity

Additives

Friction

Friction

Thermal properties

Rheological properties

Chemical properties

Tribological properties

Résumé

Dans un contexte où la transition énergétique et les préoccupations environnementales sont de plus en plus importantes, le monde industriel s'est engagé vers une utilisation plus durable des ressources énergétiques. Dans ce contexte, la recherche de solutions durables pour réduire les pertes énergétiques dans les systèmes mécaniques est devenue cruciale. Les lubrifiants jouent un rôle clé dans la réduction des pertes liées au frottement, mais peuvent se dégrader au cours de leur utilisation, ce qui peut compromettre la fiabilité et le rendement des équipements. Définir une stratégie de lubrification optimale nécessite donc une compréhension approfondie des impacts potentiels de la dégradation des huiles. Pour étudier ce phénomène, plusieurs lots d'huiles de transmission par engrenage ont été analysés et testés afin d'évaluer les changements entre les échantillons neufs et les échantillons prélevés en application. Trois axes distincts ont été adoptés dans les investigations : des mesures rhéologiques et chimiques, des essais tribologiques et des essais sur une transmission modèle. Dans un premier temps, certaines propriétés rhéologiques et chimiques des huiles ont été mesurées et analysées, telles que la viscosité, la composition chimique, l'acidité, la teneur en eau et la contamination en particules solides. Ensuite, les performances tribologiques des huiles ont été évaluées à l'aide de deux tribomètres distincts, complétés par des méthodes optiques de caractérisation des éprouvettes d’essais. Enfin, des essais sur un banc d’essai de transmission ont été effectués sous différentes conditions de fonctionnement pour étudier l'évolution de la dissipation de puissance et du comportement thermique du banc d'essai. De plus, un modèle numérique basé sur un couplage thermique a été utilisé pour exploiter davantage les données expérimentales. Les résultats de cette étude démontrent une influence claire du fonctionnement des transmissions à engrenages sur les propriétés et la performance des lubrifiants. Les propriétés intrinsèques ont tendance à évoluer avec la dégradation, en particulier la viscosité, la composition chimique et la contamination en particules solides. De ce fait, les performances tribologiques sont également affectées, avec des variations du coefficient de frottement et de la formation de tribofilms. Dans le banc d'essai de transmission, la dégradation entraîne une évolution de la puissance dissipée, qui affecte à son tour le comportement thermique. Ces observations semblent également fortement dépendantes des conditions de fonctionnement en application. En conséquence de ces travaux, les impacts de la dégradation des lubrifiants amènent à repenser les pratiques actuelles en matière d’essais de qualification des lubrifiants et des équipements, ainsi que les outils de prédiction de durée de vie des composants.

In recent years, the industrial world has engaged a shift towards a more sustainable use of energy resources, driven by rising environmental and economic concerns. The constraints emerging from the necessity of achieving sustainability are now shaping the development of new technologies. In this context, the quest for reducing friction losses in mechanical systems provides an opportunity for optimization where substantial energy savings can be achieved. The lubricant plays a key role in reducing friction in machinery, but can be subjected to degradation in the field, potentially impairing reliability and efficiency. However, excessive oil changes run counter to sustainability goals as well. Defining an optimal lubrication strategy requires therefore a clear understanding of the potential impacts of oil degradation. Building knowledge on oil degradation can help to identify key degradation mechanisms, evaluate their impacts and better manage potential risks. To this end, several gear transmission oil batches have been subjected to analyses and testing to assess the changes between fresh and field-collected samples. Three distinct perspectives were adopted in the investigations, which include rheological and chemical measurements, tribological testing and gearbox efficiency testing. As a first step, key rheological and chemical properties of the oils, such as viscosity, chemical composition, acidity, water content and solid particle contamination, were measured and analysed. Then, the tribological performance of the oils was evaluated with two distinct tribometers, along with optical techniques for the characterization of test specimens. Finally, gearbox testing was conducted under varying operating conditions to investigate the evolution of the power dissipation and thermal behaviour of the test rig. In addition, a thermally coupled numerical model was used to help extracting more information out of experimental data. The findings of the conducted research demonstrate a clear influence of gear transmission operation on lubricant properties and performance. Intrinsic properties are likely to evolve with degradation, in particular the viscosity, the chemical composition and the solid particle contamination. Consequently, the tribological performance is also affected, with varying friction coefficient and tribofilm growth behaviours. In the gearbox test rig, the degradation results in a change in the dissipated power, which in turn affects the thermal behaviour. These observations appear to be highly dependent on the operating conditions in application. As a consequence of this work, the impacts of lubricant degradation lead to question current practices in terms of in-house testing for lubricant and equipment quality as well as predictive tools for component lifespan.