La présente étude montre que les problématiques de thermique au sein de réducteurs épicycloïdaux étaient un enjeu crucial pour la fiabilité et le rendement de ces derniers.
A partir de la problématique posée en introduction, il convient de répondre à chaque question adressée.
La première était : est-il possible de prédire les valeurs de tous les postes de
pertes d’un train épicycloïdal lubrifié par barbotage ?
La littérature propose une analyse poussée des pertes en ce qui concerne les trains d’engrenages conventionnels. De nombreux modèles applicables aux trains épicycloïdaux a été retenu. Cependant, en ce qui concerne les trains épicycloïdaux, elle porte toutefois uniquement sur le cas d’une lubrification par injection. Ainsi, l’absence de modèle de pré-diction des pertes par barbotage spécifique aux trains épicycloïdaux a été notée.
La première étape de ce travail a, donc, été de développer un modèle de prédiction des pertes par barbotage au sein d’un train épicycloïdal. Pour ce faire, un banc d’essais du LabECAM, nommé dans "banc ECAM" ce manuscrit, a été utilisé. Il permet de mesurer précisément les pertes dans un train épicycloïdal modulaire. Une vaste campagne d’essais a été menée avec comme objectif, d’abord, d’observer le comportement du bain d’huile au sein de la transmission. Le résultat marquant de cette phase est l’établissement, par les forces centrifuges, d’un anneau d’huile. Il a cependant été relevé que cet anneau ne se formait pas immédiatement. Une investigation toute particulière a donc été menée pour établir un modèle d’apparition de l’anneau d’huile. Deux critères ont été mis en évidence : un critère portant sur le volume du bain d’huile et un autre sur les conditions opératoires. Une fois ces critères de prédiction développés, l’établissement du modèle de perte par barbotage se devait de prendre en compte la présence ou non de cet anneau d’huile. Deux cas ont donc été considérés : lorsque l’anneau d’huile est présent et lorsqu’il ne l’est pas. La première partie du travail a consisté dans l’étude des pertes par barbotage lorsque l’anneau était formé. Une méthode par analyse dimensionnelle a été utilisée.
La modularité permise par le banc ECAM a permis d’isoler la contribution de chacun des éléments tournants (satellites, porte-satellite et solaire) de la perte par traînée. Ainsi, deux modèles distincts ont vu le jour : un modèle pour le porte-satellite et un autre pour les satellites.
Par ailleurs, il a été remarqué qu’un modèle de perte par traînée du solaire ne pou-vait pas être établi dans cette étude du fait de l’impossibilité d’avoir un anneau d’huile suffisamment épais pour l’atteindre. Une autre limite évoquée des modèles développés est que le banc ECAM ne permet pas de tester plusieurs réducteurs différents pour mettre en évidence l’influence de la géométrie du réducteur sur la perte par traînée.
Une fois ces différents modèles développés pour la présence de l’anneau d’huile, l’hypo-thèse a été faite que, lorsque l’anneau d’huile n’était pas formé, les corrélations trouvées plus hauts, pour les pertes par traînée du porte-satellite et des satellites, étaient toujours valides et que seule la surface mouillée de chacun des éléments devait être recalculée. Cette hypothèse s’est avérée juste au regard des essais menés sur le banc ECAM.
Finalement, une fois le modèle de perte par barbotage bien défini, celui-ci a été mis à l’épreuve vis-à-vis de nombreux essais menés sur trois huiles présentant des caractéris-tiques physiques bien distinctes. Ces essais ont à la fois permis de conforter la robustesse du modèle mais aussi de mettre en évidence l’influence plus important de la masse volu-mique face à la viscosité de l’huile.
Les deux questions suivantes, posées dans l’introduction, étaient :
– Comment un réducteur épicycloïdal, lubrifié par barbotage, peut-il
sou-tenir de fortes valeurs de charges (et donc de pertes) lorsqu’il ne peut se refroidir qu’au travers de ses carters ?
– Dans quelles mesures la lubrification par barbotage, seule, reste possible
dans des applications industrielles ?
Après avoir identifié toutes les sources de pertes, la modélisation thermique d’une application industrielle a pu être conduite. La méthode des réseaux thermiques a, tout d’abord, été présentée ainsi que le calcul des résistances représentant les différents échanges de chaleur au sein de la transmission. Ces résistances sont calculées, par ailleurs, en lien avec le critère de formation de l’anneau d’huile. Ensuite un réseau thermique spécifique au réducteur, nommé AVERY, monté sur le banc BC6 a été construit. Le banc BC6 ayant la particularité de ne pas appliquer de charge sur le réducteur AVERY, cette première étude thermique a donc porté sur un réducteur AVERY ne présentant que ses pertes indépendantes de la charge. Une très bonne concordance entre les températures simulées sur le réseau thermique et mesurée sur le banc BC6 a été trouvée confortant, une fois de plus, la bonne modélisation des différentes sources de pertes et des échanges au sein du réducteur. Pour montrer la versatilité de la méthode des réseaux thermiques, deux cas ont été simulés : un changement d’huile dans le réducteur ainsi qu’une variation drastique du volume d’huile au sein du réducteur. Dans les deux cas, une baisse significative des températures du bain d’huile a pu être montrée. Cependant, une mise en garde a été faite que de telles conclusions ne pouvaient pas être prises telles qu’elles car la modélisation thermique n’incluait pas, dans ce cas, la charge appliquée sur le réducteur. L’impact tribologique de la charge ne pouvait, par ailleurs, pas être prise en compte.
Pour finir, une dernière modélisation thermique a portée sur le même réducteur AVERY monté, cette fois-ci sur le banc BP2 permettant de charger ce réducteur. Les différentes spécificités de modélisation inhérentes à l’introduction d’une charge dans le réducteur ont d’abord été présentées puis une comparaison entre les températures simulées par le réseau et celles mesurées sur le banc a été menée. Cette comparaison a permis de montrer qu’il était possible d’estimer directement le coefficient de frottement au sein de la transmission tout en montrant une bonne concordance avec les mesures sur le banc BP2. Enfin, cette modélisation est étendue à une application directe du réducteur AVERY sur un tramway en fonctionnement. Après quelques modifications inhérentes à l’environnement du réduc-teur, ce modèle est capable de donner l’évolution de la température des différents éléments de la transmission. Il a été noté l’importance du caractère transitoire des conditions opé-ratoires du réducteur pour que la lubrification par barbotage soit utilisable, notamment lorsqu’il est soumis à de fortes charges et de faibles vitesses.
Un pan intéressant, à court terme, du travail présenté dans ce manuscrit est la mo-délisation thermique des trains épicycloïdaux lubrifiés par bain d’huile. Une application évidente de ce type de modèle, léger en terme de temps de calcul, serait de pouvoir opti-miser le volume du bain d’huile. Les deux points d’optimisation seraient :
– La capacité du bain d’huile à être un "tampon" thermique suffisamment important pour éviter les surchauffes locales, notamment au niveau des roulements.
– La capacité du bain d’huile à former un film d’huile suffisant pour les contacts des dentures.
A moyen terme, une investigation sur d’autres types de trains planétaires pourrait être menée. Tous les résultats, notamment en terme de prédiction de la perte par bar-botage, ont été développés exclusivement pour des trains épicycloïdaux. Il a été soulevé, particulièrement lors de l’application de ce modèle au réducteur AVERY, que la géométrie du réducteur pouvait influer sur les écoulements du bain d’huile mais la cinématique du train rentre aussi en compte : dans le cas d’un train planétaire à couronne tournante, par exemple, le modèle de perte reste-t-il applicable ? Dans quelles mesures ?
Enfin, à plus long terme, une dernière investigation en parallèle d’une modélisation thermique serait une étude complète et en détail du contact des dentures intérieures. En ef-fet, un même coefficient de frottement pour les deux types de contact (dentures extérieures et intérieures) a été utilisé d’après les travaux de Durand de Gevigney [30]. Seulement, les deux types de contacts sont antagonistes : d’une part, le contact des dentures extérieures, bien connu, qui est un contact non conforme (équivalent à deux cylindres en contact l’un sur l’autre) ; d’autre part, le contact des dentures intérieures, non traité dans la littérature d’un point de vue tribologique, qui est un contact conforme (équivalent à deux cylindres en contact l’un dans l’autre). Il semble judicieux de mener une étude plus poussée pour conclure sur la validité de l’hypothèse d’un coefficient de frottement unique.