Fatigue des engrenages
Les trois modes de défaillance les plus fréquents sont, par ordre d’importance : la fatigue,les impacts et l’usure . Plus particulièrement, la rupture en fatigue des systèmes d’engrenage peut être de différentes natures : La fatigue en flexion; La fatigue de contact par glissement (slidding); La fatigue de contact par roulement (rolling); La fatigue thermique; La fatigue des autres composantes du système de transmission (arbre, roulement, …).
Une analyse de 1500 défaillances d’engrenage a montré que la fatigue en flexion est la plus fréquente avec une proportion de 32% . Cependant, sous certaines conditions,le contact peut devenir plus important que la flexion.
Fatigue en flexion
Alban et Femandes ont décrit qualitativement ce type d’endommagement. Selon leurs observations, l’initiation des fissures de flexion se situe dans le congé des dents du côté actif où les contraintes cycliques en tension y sont maximales. Ensuite, la progression de ces fissures se fait en direction d’un point de contrainte nulle qui, selon les auteurs, est localisé initialement près du rayon de racine au centre de la dent. D’après Alban, cette trajectoire est la direction offrant le moins de résistance à la propagation. Par la suite, ce point se déplace jusqu’à ce qu’il atteigne le congé de l’autre côté de la dent. Tout au long de la progression des fissures, la rigidité en flexion de la dent diminue. Ce qui tend à surcharger les dents adjacentes et favorise l’initiation de fissures dans celles-ci . C’est pourquoi, avec la fatigue en flexion, il y a régulièrement rupture de plusieurs dents successives. Cette fatigue est causée par soit une mauvaise conception, un montage incorrect, des défauts de matériau ou des surcharges . Cette description est surtout valable pour les roues pleines dont le corps principal a une bonne rigidité. Cependant, dans certains cas, le poids des systèmes mécaniques devant être optimisé (ex. : moteurs d’avions, transmissions d’hélicoptères), justifie l’utilisation de roues à jante mince. Or, lorsqu’une fissure s’initie en flexion, selon l’épaisseur de la jante, celle-ci peut bifurquer vers le moyeu et engendrer la perte complète du système.
Facteurs influençant la fatigue des engrenages
Les engrenages sont souvent soumis à des conditions de fonctionnement extrêmes où interagissent et peuvent influer sur l’évolution de l’endommagement. Les engrenages sont souvent soumis à des conditions de fonctionnement extrêmes où interagissent et peuvent influer sur l’évolution de l’endommagement.
Les engrenages sont souvent soumis à des conditions de fonctionnement extrêmes où différents phénomènes interagissent et peuvent influer sur l’évolution de l’endommagement. Aussi, les traitements appliqués aux roues leur permettant de supporter les charges de fonctionnement, peuvent également avoir des effets significatifs sur la vie en fatigue. Aussi, les traitements appliqués aux roues leur permettant de supporter les charges de fonctionnement, peuvent également avoir des effets significatifs sur la vie en fatigue. Aussi, les traitements appliqués aux roues leur permettant de supporter les charges de fonctionnement, peuvent également avoir des effets significatifs sur la vie en fatigue.
Traitements de surface : Les fissures s’initiant en surface ou très près, il est courant d’appliquer des traitements aux roues en vue de modifier leurs propriétés mécaniques. Deux moyens souvent employés sont les traitements thermiques superficiels (ex. : induction) et ceux thermochimiques (ex. : cémentation, nitruration). La modification de la microstructure des roues par trempe d’induction peut atteindre une profondeur de 2 à 3 mm. Cependant, une induction excessive engendrant la trempe complète de la dent lui enlèvera toute ténacité. À l’inverse, un temps d’induction trop court produira une trempe superficielle incomplète et ainsi créera des zones de discontinuité propices à l’initiation de fissures. Aussi, le durcissement occasionné par les trempes fragilise le matériau, ce qui favorise la propagation des fissures une fois initiées.
En contre partie, les traitements thermochimiques créent des surfaces durcies plus minces, affectant moins la ductilité de la structure interne. Mais, un traitement trop long entraîne la décarburation des surfaces qui durant la trempe occasionne des contraintes résiduelles entension néfastes en fatigue. De plus, la décarburation crée une couche non martensitique constituée d’inclusions, de joints de grainset de particules oxydées agissant comme concentrateurs de contrainte et génèrent des microfissures susceptibles d’être propagées en flexion. Néanmoins, les contraintes résiduelles en compression induites par les gradients de dilatation thermique des interfaces, ont des effets bénéfiques sur la fatigue .
Rugosité des surfaces
L’état des surfaces sollicitées affecte aussi le comportement en fatigue. Une rugosité plus ou moins élevée crée des creux agissant comme concentrateur de contrainte facilitant l’initiation de fissures. Eyercioglu et al. ont étudié expérimentalement l’influence de cet aspect sur la résistance en flexion des engrenages cylindriques droits, en comparant les performances en fatigue de roues ayant des rugosités en racine de dent variant de 3 à 8 μm RMS (Root Mean Square) et des creux (Peak-lo-Valley) allant 25 à 65 μm. Leurs résultat sont démontré une amélioration de la durée de vie en fatigue d’environ 8 millions de cycles avec les engrenages ayant un fini de surface supérieur. En termes de limite d’endurance (Se), cela s’est traduit par une augmentation de 65 MPa, soit de 523 MPa à 588 MPa.
Engrenages cylindriques à denture droite
On utilise les engrenages cylindriques à denture droite pour les basses et moyennes vitesses (jusqu’à v ≈ 20 m/s) et pour des exigences normales comme par exemple dans les boites de vitesses universelles, pour des dispositifs de manutention, treuils, machines agricoles….
Les avantages de ces engrenages par rapport aux engrenages cylindriques à denture hélicoïdale sont: Absenced’efforts axiaux ; Rendement un peu plus élevé ; Lesdents peuvent être plus larges, d’où une plus petite pression de contact et de là une plus faible usure.
Les inconvénients sont: Nonappropriés pour les grandes vitesses à cause des vibrations et du bruit; La résistance pour les mêmes dimensions est plus petite ; Sensibles aux erreurs de forme de denture et aux charges dynamiques parasitaires.
Table des matières
Introduction Générale
Chapitre 1 : travaux de recherche
I.1. Introduction
I.2. Fatigue des engrenages
I.2.1. Fatigue de contact
I.2.2. Fatigue en flexion
I.2.3. Initiation des fissures
I.2.4. Région critique
I.2.5. Durée de vie en fatigue/ initiation
I.3. Facteurs influençant la fatigue des engrenages
I.3.1. Traitements de surface
I.3.2. Contraintes résiduelles
I.3.3. Fermeture des lèvres de la fissure
I.3.4. Rugosité des surfaces
I.3.5. Zone de contact
I.3.6. Géométrie des roues
I.3.7. Vitesse de rotation
I.4. Modélisation numérique de la propagation des fissures
I.4.1. Dimension, géométrie et conditions frontière du modèle
I.4.2. Méthodes numériques
I.4.3. Méthode des éléments finis
I.5. Développement de bancs d’essai
I.5.1. Le banc d’essai de FZG
I.5.2. L’appareil Maag
I.6. Conclusion
Chapitre 2 : Théorie des engrenages
II.1. Théorie des engrenages
II.1.1. Engrenages cylindriques à denture droite
II.1.1.a. Caractéristiques
II.1.1.b. Etude des forces
II.1.1.c. Choix préalables des dimensions principales
II.1.2. Engrenages hélicoïdaux
II.1.2.a. Généralités
II.1.2.b. Grandeurs fondamentales
II.1.2.c. Engrènement
II.1.2.d. Etude des forces
II.1.2.f. Choix des dimensions principales
II.1.3. Etude de l’engrènement des engrenages parallèles
II.1.3.1. Continuité d’engrènement
II.1.3.1.a. Engrenages parallèles extérieurs, à denture droite
II.1.3.1.b. Engrenages parallèles extérieurs, à denture hélicoïdale
II.2. Résistance des engrenages
II.2.1. Choix des matériaux
II.2.2. Vérification de la résistance de la racine de la dent (Denture droite)
II.2.3. Vérification de la résistance des flancs
II.2.4. Vérification de la résistance de la racine de la dent (Denture hélicoïdale)
II.2.5. Vérification de la résistance des flancs
II.3. Conclusion
Chapitre 3 : Métrologie des engrenages
III.A. Première partie: Définitions et Symboles
III.A.1. Définitions relatives au contrôle du corps de roue
III.A.2. Définitions relatives au contrôle de la denture
III.A.3. Définitions relatives au contrôle de l’engrenage monté
III.A.4.Symboles
III.B. Deuxième partie : Base d’établissement du système
III.B.1. Introduction
III.C. Troisième partie : valeurs numériques
Chapitre 4 : Mécanique de la rupture et fatigue des matériaux
IV.1. Aperçu Historique Sur La Rupture
IV.2. Exploitation de la mécanique de la rupture en conception
IV.2.1. Critère d’Energie
IV.2.2. Concepts d’intensité des contraintes
IV.2.2.1. Modes de rupture en fatigue en flexion des engrenages
IV.2.2.2. Mode I vs. Mode II
IV.2.2.3. Hypothèses générales liées à la MREL
IV.2.2.4. Facteur d’intensité de contrainte (FIC)
IV.2.2.5. Calcul du facteur d’intensité de contrainte
IV.2.2.6. Facteur d’intensité de contrainte équivalent
IV.2.2.7. Facteur d’intensité de contrainte efficace
IV.3. La Fatigue
IV.3.1. Propagation des fissures et concept de tolérance au dommage
IV.3.1.1. Lois de propagation
IV.3.1.2. Orientation de la propagation des fissures
IV.3.1.3. Propagation des fissures dans l’engrènement
IV.3.2. Longueur initiale
IV.3.3. Paramètres des essais de fatigue
IV.3.4. Expression des courbes de Wöhler
IV.3.5. Traitement statistique des essais de fatigue
IV.3.6. Zone plastique en fatigue et mécanismes de propagation microscopique
IV.4. Détérioration et fatigue des dents des engrenages
IV.4.1. Usure normale (normal wear)
IV.4.2. Usure courante (current wear)
IV.4.3. Poli-miroir (polishing)
IV.4.4. Grippage localisé
IV.4.5. Grippage généralisé (scuffing)
IV.4.6. Usures à trois corps (wear with three bodies)
IV.4.7. Usure modérée (moderate wear)
IV.4.8. Usure excessive et destructrice (excessive and destructive
IV.4.9. Corrosion chimique et rouille (chemical corrosion, rusting)
IV.4.10. Pelage (scaling)
IV.4.11. Corrosion de contact (fretting corrosion)
IV.4.12. Sur chauffe et brûlures (over heating, burning)
IV.4.13. Cavitation
IV.4.14. Érosion par impact
IV.4.15. Étincelage
IV.4.16. Fatigue de surface
IV.4.17. Micro-piqûres (micropitting, frosting, gray staining, microspalling)
IV.4.18. Piqûres (pitting)
IV.4.19. Écaillage (spalling)
IV.4.20. Dislocation de la couche traitée (case crushing)
IV.4.21. Empreintes (indentation)
IV.4.22. Déformation plastique par roulage (rolling)
IV.4.23. Déformations plastiques par martelage (peening)
IV.4.25. Sillons (ridging)
IV.4.26. Bavures (burr)
VI.5.27. Processus d’usures combinées
VI.4.28. Fissurations (cracks)
IV.4.29. Usure par dissolution
IV.5. Epilogue
Chapitre 5 : Développement du banc d’essai
Introduction
V.1. Calcul des engrenages à denture droite
V.1.1. Géométrie de la dent et matériau (ISO 21771)
V.1.2. Résultats des calculs des engrenages
V.2. Détermination des dimensions d’un arbre
V.2.1. 1ère phase : Calcul approximatif
V.2.2. 2ème phase: Calcul définitif
V.2.3. Etude de déformations
V.3. Comportement dynamique des arbres
V.3.a. Vibrations de torsion
V.3.b. Vibrations de flexion
V.3.c. Calcul des roulements
V.4. Conclusion
Chapitre 6 : MEF-Résultats et discussion
Méthode des éléments finis
VI.1. Généralités
VI.2. Démarche des éléments finis
VI.3. Utilisation d’un logiciel éléments finis (ANSYS)
VI.4. Analyse de la fatigue à la zone de contact
VI.4.1. Hypothèses [68]
VI.4.2. Etude comparative avec les résultats expérimentaux
VI.4.3. Zone modélisée
VI.4.4. Discrétisation
VI.4.5. Description de l’état de chargement
VI.4.6. Sensibilité à la fatigue
VI.4.7. Résultats de l’état de contrainte et de déformation
VI.4.8. Résultats de la modélisation de la fatigue par contact
VI.5. Modélisation de la fatigue des dents en flexion
VI.5.1. Stratégie de modélisation
VI.5.2. Modèle géométrique
VI.5.3. Discrétisation de la géométrie
VI.5.4. Résultats de l’état des contraintes et de déformation
VI.6. Conclusion
Conclusion générale
Perspectives
Référence bibliographique
