Influence des propriétés classiques de l’huile

Les résultats précédents ont montré que le code était en mesure de fournir une évaluation suffisamment précise du rendement de la boîte étudiée. Sur cette base, une étude de sensibilité portant sur l’influence des propriétés de masse volumique et de viscosité du lubrifiant sur les pertes est maintenant proposée. L’utilisation d’un code de calculs par rapport à des mesures sur banc permet en effet de modifier indépendamment les propriétés du lubrifiant.

IV.3.1 Masse volumique

Les huiles classiquement utilisées dans les boîtes de vitesses présentent des masses volumiques entre 840 et 920 kg/m3 [13]. De plus, la masse volumique décroît lorsque la température du lubrifiant augmente. Afin d’évaluer l’influence de cette propriété sur les pertes dans la boîte, des calculs ont été effectués dans des conditions similaires pour trois masses volumiques différentes : 840, 880 et 920 kg/m3. La viscosité cinématique a été fixée aux valeurs données dans le Tableau IV-4.

Le Tableau IV-5 présente les couples de pertes ramenés sur l’arbre moteur, obtenus pour les rapports de 2nd à 6ème. Les conditions de fonctionnement choisies sont les suivantes : vitesse en entrée de 3000 tr/mn, couple de 20 Nm et température de l’huile de 30 °C.

Les résultats montrent que l’augmentation de la masse volumique entraîne une augmentation des pertes. Ainsi, un accroissement de 80 kg/m3 entraîne une augmentation de perte de 3,7 % pour le rapport de 2ème jusqu’à 4,7 % pour le rapport de 6ème engagé.

Tableau IV-5 Pertes calculées pour différentes masses volumiques (N=3000 tr/mn, Thuile=30°C, couple en entrée=20Nm)

Masse Volumique (kg/m3) Rapport 840 880 920 Couple de perte (Nm) 2 1,75 1,78 1,82 3 1,73 1,77 1,80 4 2,85 2,91 2,98 5 3,62 3,71 3,79 6 4,81 4,92 5,03

Les variations de pertes calculées peuvent paraître faibles mais sont à replacer dans un contexte très concurrentiel dans lequel chaque amélioration du rendement contribue à diminuer les émissions polluantes. L’ensemble des sources de pertes dans la boîte ne présente pas la même sensibilité ni la même évolution vis-à-vis d’une augmentation de la masse volumique. En effet, les pertes par cisaillement, aux roulements et à l’engrènement ne sont pas affectées par les variations de masse

pertes par barbotage. Enfin, la source de perte prépondérante pour cette configuration de calculs, représentée par les synchroniseurs, présente un accroissement avec l’augmentation de la masse volumique (Cf. Tableau IV-6).

Tableau IV-6 Evolution des pertes par barbotage et aux synchroniseurs (rapport de 6ème engagé, Thuile=30°C, N=3000 tr/mn, C=20 Nm)

Masse Volumique (kg/m3)

840 880 920

Pertes par barbotage (W) 96,7 100,8 104,8

Pertes aux synchroniseurs (W) 900,3 928,5 956,1

Ces variations diverses des pertes ne sont pas dues aux mêmes effets. En effet, si l’augmentation des pertes par barbotage est directement liée à l’augmentation de la masse volumique, il n’en est pas de même pour les autres sources de pertes. La viscosité cinématique 𝜈 ayant été fixée, une variation de la masse volumique 𝜌 implique donc une variation de la viscosité dynamique 𝜇 suivant la formulation suivante :

𝜇 = 𝜌. 𝜈 (IV-2)

La viscosité dynamique intervient notamment dans la formulation des pertes par cisaillement d’huile dans les synchroniseurs. C’est ce qui explique l’augmentation des pertes calculées avec une augmentation de la masse volumique. A l’inverse des résultats qui viennent d’être présentés, il peut être intéressant d’observer l’influence de la viscosité cinématique.

IV.3.2 Viscosité cinématique

L’influence de la viscosité cinématique est étudiée à partir de l’huile utilisée dans la boîte DCT (huile n°1) et d’une huile présentant une viscosité plus faible à froid. Le Tableau IV-7 rappelle les valeurs de viscosité cinématique de ces deux huiles. La masse volumique est ici fixée à 880 kg/m3.

Tableau IV-7 Propriété de viscosité cinématique des huiles testées

Viscosité cinématique à 40 °C (cSt) Viscosité cinématique à 100 °C (cSt) Huile n°1 _32,4 6,5 Huile n°2 _24,8 7,9

De façon relativement attendue, l’huile n°2 qui présente une viscosité plus faible génère moins de pertes que l’huile n°1 (Figure IV-11). Les pertes dans les synchroniseurs notamment mais aussi dans les roulements, qui dépendent de la viscosité cinématique, sont en effet réduites lorsque les propriétés de l’huile n°2 sont utilisées pour les évaluer (une diminution de 6 % et de 18 % est respectivement calculée). Les pertes par barbotage et à l’engrènement ne se trouvent ici que très peu affectées par la différence de viscosité entre les deux huiles. Toutefois, les gains réalisés sur les

pertes en passant de l’huile n°1 à l’huile n°2 n’excèdent pas 0,4 Nm. Ceci peut s’expliquer par le fait que le couplage thermique est utilisé pour ces calculs. La courbe illustrant le couple de pertes pour l’huile 1 sans couplage thermique montre en effet que les pertes calculées sont bien plus importantes lorsque les propriétés du lubrifiant sont évaluées à la température de 30 °C. Lorsque le couplage thermique est utilisé, les échauffements locaux (température pouvant atteindre 60 °C au niveau du synchroniseur de 1ère) qui interviennent aux niveaux des sources de pertes induisent une diminution de la viscosité du lubrifiant. Les écarts entre les viscosités des deux lubrifiants ont donc tendance à s’amenuiser avec pour conséquence de limiter les écarts sur les pertes.

Figure IV-11 Influence de la viscosité (3000 tr/mn, Thuile=30°C, couple en entrée=20 Nm)

Les résultats présentés ci-dessus, tant sur l’influence de la masse volumique que de la viscosité cinématique, montrent que ces propriétés peuvent avoir un impact différent suivant les pertes considérées. Enfin, la prise en compte des aspects thermiques se révèle être indispensable afin de pouvoir évaluer les propriétés du lubrifiant aux températures effectives dans les contacts.

L’influence des propriétés propres aux échanges thermiques des lubrifiants, comme la conductivité thermique ou la capacité calorifique massique, a volontairement été écartée. En effet, comme cela a été montré dans le chapitre 1, ces propriétés évoluent très peu entre les huiles et une valeur moyenne similaire pour l’ensemble des huiles est considérée. L’incidence sur les températures calculées des éléments est donc minime. A titre d’exemple, et pour justifier le fait de considérer ces propriétés constantes dans le code de calculs, la température de masse du pignon récepteur du rapport de 1ère est calculée en considérant deux valeurs extrêmes de la conductivité thermique ; 0,135 et 0,18 W/m.K. Les conditions suivantes sont choisies : N=3000 tr/mn, C=100 Nm, Thuile=30 °C, rapport de première engagé. La différence de température observée pour les deux valeurs de conductivité thermique est de 0,8 °C soit à peine 1 % de la température de masse du pignon considéré. Ce très faible écart de température n’impacte donc pas les pertes générées au niveau de cet engrenage.