Academic literature on the topic 'Engrenages coniques'

La géométrie finale des engrenages spiro-coniques utilisés en aéronautique est obtenue sur des machines Gleason complexes. Le temps de conception et de mise au point de ces engrenages dépend de l'intéraction entre les conditions de Bureau d'Etudes et les possibilités de l'atelier. Les travaux réalisés au cours de ce travail avaient comme objectif de créer un logiciel de Conception Assistée par Ordinateur assurant à la fois une liaison entre fabrication et conception et une description fine des opérations. La première partie du travail présente la modélisation cinématique de la rectification des dentures et la simulation de la réalisation de la géométrie. Le modèle graphique obtenu est utilisé dans la seconde partie pour simuler l'engrènement à faible puissance. Une faible modification des surfaces actives de denture entraîne des variations importantes des zones de portée, les fluctuations du rapport de transmission sont aussi obtenues. La troisième partie du travail porte sur la simulation à forte puissance. Les déformations des dentures sont obtenues à partir de modèles Eléments Finis et de conditions aux limites réalistes. La répartition des charges entre les couples de dents en prise est calculée à l'aide de modèles simplifiés. L'ensemble des résultats est exploité à partir de visualisations graphiques. A chaque étape du travail, une comparaison globale entre les résultats issus du logiciel et ceux mesurés sur les pièces fabriquées et testées à l'Atelier est faite.

La conception des engrenages spiro-coniques reste encore très complexe de nos jours car la géométrie des dentures, et donc les performances cinématiques, découle du mode de fabrication de ce type d'engrenage. Le taillage est lié à deux constructeurs principaux : Gleason et Klingelnberg. De nombreux paramètres de réglage des machines influencent directement les surfaces de denture, leur optimisation n'est donc pas intuitive. Avec les progrès réalisés cette dernière décennie par les machines d'usinage à commande numérique et la FAO (Fabrication Assistée par Ordinateur), il devient possible de fabriquer des engrenages spiro-coniques de bonne qualité sur une machine 5 axes. Un modèle numérique a été développé pour générer une géométrie simplifiée de type Gleason, usinée par la suite avec une machine 5 axes. Une étude de métrologie, permettant de comparer les dents usinées avec les modèles CAO, a ensuite été réalisée pour prouver que l'usinage par une machine 5 axes peut être une alternative aux méthodes de taillage classiques. De nouveaux types de géométrie peuvent donc être proposés, qui ne pouvaient pas être envisagés par les moyens de fabrication classiques. Une géométrie basée sur la théorie des développantes sphériques, combinée à une spirale logarithmique a été développée, puis usinée. De plus, des corrections de bombé ou de profil peuvent être définies afin d'éviter les contacts en bords de denture. Ce type de géométrie analytique offre des possibilités plus simples d'optimisation de l'engrènement. L'optimisation des surfaces peut être réalisée à l'aide du modèle d'engrènement quasi-statique sous charge développé dans le cadre de cette thèse. L'environnement de l'engrenage est pris en compte dans la simulation : déformation des arbres, des dentures et de leurs supports (jantes et voiles) ainsi que les déformations locales de contact. La méthode des coefficients d'influence est utilisée pour résoudre le partage des charges entre toutes les dents instantanément en contact. Une méthode originale, utilisant sur un seul calcul élément finis et la définition de bases de fonctions, permet de calculer rapidement les flexions de denture dans leur environnement. Les déformations de contacts sont, quant à elles, obtenues par une méthode analytique, basée sur les théories de Boussinesq. De plus, des défauts d'assemblage peuvent être intégrés entre le pignon et la roue spiro-conique. Afin de valider les modèles numériques développés, un banc d'essai a été mis en place, permettant la mesure de l'erreur de transmission et la visualisation des portées. Le banc d'essai est intégré dans une fraiseuse numérique 3 axes : le pignon est monté dans la broche de la fraiseuse, le reste du banc étant bridé sur son plateau. Ainsi, des défauts de montage peuvent être appliqués facilement et précisément.

Les engrenages spiro-coniques sont utilisés dans les transmissions de puissance nécessitant un renvoi d’angle, par exemple dans le domaine aéronautique ou automobile. Ces engrenages admettent des puissances et des vitesses importantes. La fabrication des engrenages spiro-conique est complexe. De nombreuses études ont été réalisées sur son optimisation pour définir les profils des dents en contacts. Des travaux existent également pour le dimensionnement statique des dentures. L’aspect dynamique est l’objectif du travail de cette thèse. Des approches théoriques et numériques, pour simuler les vibrations d’engrènement dans des couples spiro-coniques, sont présentées et discutées. Plusieurs modèles ont été développés : torsionnel et tridimensionnel, incluant la prise en compte de défauts de position et d’alignement. Un modèle original (tridimensionnel local), est proposé. Il repose sur des analyses quasi-statiques préalables. Il permet de suivre les évolutions des conditions de contact instantanées sur les flancs de denture. Une approche alternative est également présentée, qui conduit à construire des termes d’excitation globaux en termes d’erreurs de transmission et de raideurs d’engrènement, permettant ainsi de s’affranchir d’algorithmes de contact au cours de la résolution dynamique. Des comparaisons ont été menées avec des résultats quasi-statiques et dynamiques issus de la littérature
Spiral bevel gears are employed in power transmissions which require motion transfer between crossed axes in aerospace and automotive applications for instance. Such gears can transmit large powers and high speeds. The manufacturing of spiral bevel gears is complex. A number of studies have been conducted in order to optimise the mating tooth flank geometry and the static load distribution on the teeth. The main objective of this work is to tackle the dynamic behaviour of spiral bevel gears. Several theoretical and numerical approaches aimed at simulating mesh vibrations are presented and commented upon. Several models have been developed which comprise torsional and three-dimensional models including the influence of position errors and misalignments. An original three-dimensional local model is set up which is based on prior quasi-static analyses and makes it possible to follow the instant contact conditions on the tooth flanks. An alternative formulation is also introduced which relies on global forcing terms derived from transmission errors together with mesh stiffness and does not necessitate the use of a contact algorithm when integrating the equations of motion. A number of comparisons with quasi-static and dynamic results from the literature are presented which illustrate the interest of the proposed methodology

Des modèles non linéaires de paliers à roulements (billes, rouleaux cylindriques et coniques) sont développés afin de déterminer les distributions d'efforts sur les éléments roulants, les rigidités et l'évolution de ces paramètres en cours de rotation. L'ensemble de ces développements a été validé par de nombreuses comparaisons avec la littérature et avec d'autres codes de calcul. La partie la plus importante du travail a consisté à l'intégration de ces modèles dans des simulations de transmissions par engrenages. Une première approche permettant, pour un fonctionnement quasi-statique, d'inclure des bagues extérieures et des carters déformables est également proposée. Une méthode de résolution originale a été introduite, elle couple un schéma d'intégration pas à pas avec plusieurs algorithmes de contact destinés au calcul des distributions de charges, d'une part, sur les contact entre dentures et, d'autre part, entre éléments roulants et pistes des roulements. Les résultats numériques soulignent en particulier l'importance du nombre d'éléments roulants chargés et de ses fluctuations au cours de la rotation. Enfin, de nombreux résultats de simulation sont présentés, ils permettent d'évaluer l'influence de paramètres géométriques et de fonctionnement tels que l'angle d'hélice, les dimensions des arbres, les rigidités de carter, les précharges sur les roulements,. . . Sur le comportement dynamique de transmissions
Several non-linear models of rolling bearings (i. E. , ball, cylindrical and tapered roller bearings) have been developed in order to determine load distributions on rolling elements, stiffness matrices and their evolutions with time. The results compare favourably with results from the literature and ether simulation codes. An important part of the work was devoted to the integration of the bearing simulations iota the existing dynamic models of geared transmissions. A simplified approach for including deformable races and casings has been presented but it is currently limited to quasi-static computations. An original numerical procedure has been introduced, it combines a time-step integration scheme with several contact algorithms aimed at calculating load distributions on bath tooth flanks and bearing rolling elements. The influence of the instantaneous number of loaded rolling elements and its variations is pointed out. Finally, numerous numerical results are given in order to evaluate the importance of geometrical and design parameters such as helix angles, shafts dimensions, casing compliances, preloads. . . On the dynamic behaviour of geared units

Dans les boîtes de transmission montées sur les hélicoptères, les performances d'un couple spiro-conique dépendent principalement de la définition précise des dentures pour assurer à la fois un rapport de transmission de mouvement satisfaisant et la résistance des dentures. Les problèmes de conception et de mise au point d'un couple spiro-conique sont très complexes et nécessitent la fabrication de plusieurs prototypes testés dans les conditions de fonctionnement. L'objectif de ce travail de recherche a été de réaliser un modèle de simulation d'engre��nement d'engrenage spiro-conique sous charge. Le modèle développé s'est appuyé sur un logiciel " SPIRO " déjà existant et réalisé auparavant au sein du laboratoire. Ce logiciel permettait d'obtenir entre autres, la géométrie précise simulée à partir de la méthode de taillage Gleason et les variations de l'erreur de transmission à vide. L'objectif général du travail a été de mettre en place des modèles de simulation du comportement sous charge en fonctionnement quasi-statique, tenant compte de l'influence des voiles et des jantes, et compatibles avec les exigences du Bureau d'Etudes. Une validation expérimentale a été effectuée à partir d'une boîte de transmission arrière d'hélicoptère. A l'aide de codeurs magnétique et optique, l'erreur de transmission sous charge a été mesurée et comparée à la simulation numérique. Une analyse des paramètres de positionnement de l'engrenage, à partir de la méthode des plans d'expérience, a permis de mettre en évidence leurs influences non-négligeables sur le comportement mécanique du système.

La maîtrise accrue des matériaux et des procédés de forgeage permet aujourd'hui d'obtenir des engrenages coniques d'une qualité suffisante pour pouvoir les utiliser sans autre procédé de finition. Ce sont les pièces dites «net shape». Grâce à cette évolution technologique, il est nécessaire de d'optimiser la définition géométrique de ces engrenages en tenant compte des possibilités des procédés de forgeage, en particulier. Tout d'abord, la définition de la géométrie nominale des engrenages coniques à denture droite basée sur les propriétés géométriques et cinématiques du profil en développante de cercle sphérique est réétudiée et a abouti à une modélisation paramétrique des surfaces actives en intégrant un bombé longitudinal. Afin de garantir un certain niveau de qualité de l'engrènement, il est nécessaire de limiter les variations inhérentes au procédé de forgeage et aux ressources de fabrication, il s'agit de l'analyse et de la synthèse des tolérances. Cette analyse a nécessité une modélisation géométrique des engrenages incluant les écarts intrinsèques et les écarts de situation. L'analyse de l'impact de ces écarts sur l'erreur cinématique (Tooth Contact Analysis) repose sur la résolution d'un système d'équations non linéaires pour chaque position du pignon et d'un traitement de ces résultats; la difficulté de cette analyse est la grande sensibilité des résultats aux écarts. Cet outil «TCA» est le module principal de l'analyse des tolérances qui est réalisée de façon statistique par simulation de Monte Carlo. L'analyse des tolérances permet de valider une solution d'allocation de celles-ci mais ne permet pas son allocation automatique. Ainsi une approche de synthèse des tolérances a été validée, il s'agit de l'optimisation par algorithme génétique où la fonction objectif est de minimiser le ratio coût des tolérances sur la probabilité de respect des exigences. Cette analyse et cette synthèse ont été menées dans un premier temps sans charge, en considérant l'engrenage comme indéformable. Puis, la prise en compte des déformations est réalisée par la méthode des coefficients d'influences. Le problème de contact et de déformation globale de la denture sont découplés. Les coefficients d'influences de contact sont estimés par la méthode de Boussinesq et Cerruti. Les coefficients d'influence de flexion sont estimés par interpolation et méthode des éléments finis. Ce modèle permet l'analyse de l'engrènement sous charge mais les temps de calculs restent un handicap pour l'analyse des tolérances. Ces modèles de comportement pourront être affinés dans de futurs travaux et être le support de nouveaux modèles de spécification des engrenages, de suivi du processus de fabrication, d'une meilleure connaissance des interactions géométrie-mécanique-matériau, etc.

Le contexte environnemental actuel conduit l’industrie aéronautique à considérer de nouveaux critères de développement. D’une part, les gouvernements exigent des réductions d’émissions de polluants et d’autre part, les clients, c’est-à-dire les avionneurs, poussent à réduire les consommations de carburants. Ces deux objectifs peuvent être atteints grâce à l’amélioration des performances énergétiques. A ce titre, il est important de comprendre et de quantifier les pertes générées dans les systèmes de transmission de puissances. L’objectif de l’étude présentée dans ce manuscrit est de modéliser les pertes de puissance d’une boîte de transmission arrière d’hélicoptère. Ces boîtes sont généralement caractérisées par la présence d’un engrenage à renvoi d’angle spiro-conique et d’une lubrification par bain d’huile. Une campagne de tests sur un banc d’essai élémentaire a été effectuée afin de mesurer le couple résistant de roues dentées spiro-coniques en rotation dans un bain d’huile. Un phénomène peu commun sur l’évolution du couple avec la vitesse de rotation a été observé. A partir de ces résultats, un modèle analytique simple a été développé pour le calcul de la perte de puissance. Ce modèle a ensuite été validé sur une application réelle de boîte de transmission d’hélicoptère, pour laquelle des mesures de couple résistant et de températures ont été effectuées
The current environmental context is driving the aeronautic industry towards new design criteria. On the one hand, governments demand emission reductions of pollutants and on the other hand, customers, i.e. aircraft manufacturers, are pushing to reduce fuel consumption. Both of these goals can be achieved through efficiency improvements. As such, it is important to understand and quantify losses generated in power transmission systems. The objective of this study is to model the power losses of an helicopter tail gearbox. These gearboxes are generally characterized by the presence a spiral bevel gear and oil bath lubrication. A test campaign on an elementary test bench was carried out to measure the resistive torque of spiral-bevel wheels rotating in an oil bath. An uncommon evolution of the torque with the rotational speed was observed. From these results, a simple analytical model has been developed for the calculation of power losses. This model was then validated on a tail helicopter gearbox application, for which resistive torque and temperature measurements were made

Ces travaux de thèse ont été réalisés grâce à une collaboration entre Safran Helicopter Engines (anciennement Turbomeca) et le Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (LaMCoS) de l’INSA de Lyon (UMR CNRS 5259). Les boîtes de transmission par engrenages des moteurs d’hélicoptères convoient la puissance mécanique du turbomoteur aux accessoires (pompes, démarreur) et au rotor. Leur conception dépend des nécessités des équipements embarqués, en particulier l’allègement pour réduire la consommation en carburant. Les engrenages haute vitesse de la transmission sont allégés grâce à des enlèvements de matière dans les corps sous la denture, les voiles-minces. Un modèle dynamique d’engrenages a été développé pendant ce projet de recherche. Son approche modulaire permet l’inclusion conjointe des sollicitations dues aux vibrations de l’engrenage et de la nouvelle flexibilité des voiles-minces. Il dérive d’un modèle à paramètres concentrés, comprenant des arbres en poutre, des paliers et carters sous forme de raideurs additionnelles et un élément d’engrenage rigide inclus par son nœud central. Hypothèse est faite que tous les contacts sont situés sur les lignes de contact du plan d’action. Ces lignes sont discrétisées selon des tranches-minces dans les dents et la déviation normale des cellules est recalculée à chaque pas de temps selon la déflexion de la denture. Le nouveau modèle remplace l’engrenage rigide par une modélisation EF du pignon et/ou de la roue condensée sur les nœuds de jante. Une interface lie les raideurs du plan d’action discrétisé aux éléments finis du corps d’engrenage. L’élément prend donc en compte à la fois les sollicitations de l’engrenage et le comportement statique et modal des corps flexibles en dynamique. Des comparaisons sont faites avec des données numériques et expérimentales. Elles attestent de la capacité du nouveau modèle à prédire le comportement dynamique des engrenages flexibles à hauts régimes de rotation. Ces résultats intègrent entre autres des données locales et globales en dynamique. Finalement, le modèle est utilisé sur les deux cas académiques validés pour visualiser les effets des corps flexibles plus en détails. Un premier focus sera fait sur la déflexion statique due aux charges d’engrènement et sur l’optimisation sur le fonctionnement dynamique possible. Puis, les impacts des sollicitations de l’engrènement sur le voile en rotation seront étudiés. Enfin, le pignon et la roue seront affinés, afin de visualiser l’optimisation massique possible et son impact sur la dynamique de l’engrenage
The research work presented in this manuscript was conducted in the Contact and Structural Mechanics Laboratory (LaMCoS) at INSA Lyon, in partnership with Safran Helicopter Engines (formerly-Turbomeca). In helicopters, the power from the turboshaft is transmitted to the rotor and the various accessories (pumps, starters etc…) via transmission gearboxes. In the context of high-speed, light-weight aeronautical applications, mechanical parts such as gears have to meet somehow contradictory design requirements in terms of reliability and mass reduction thus justifying precise dynamic simulations. The present work focuses on the definition of modular gear dynamic models, capable of integrating both the local phenomena associated with the instant contact conditions between the tooth flanks and the more global aspects related to shafts, bearings and particularly the contributions of light thin-rimmed /-webbed gear bodies. The proposed models rely on combinations of condensed sub-structures, lumped parameter and beam elements to simulate a pinion-gear pair, shafts, bearings and housing. Mesh elasticity is time-varying, possibly non-linear and is accounted for by Winkler foundations derived from a classic thin-slice model. The contact lines in the base plane are therefore discretised into elemental segments which are all attributed a mesh stiffness function and a normal deviation which are updated depending on the pinion and gear angular positions. The main originality in this PhD consists in inserting condensed finite elements models to simulate flexible gear bodies while keeping the simple and faster rigid-body approach for solid gears. To this end, a specific interface has been developed to connect the discretised tooth contact lines to the continuous finite element gear body models and avoid numerical spikes in the tooth load distributions for example. A number of comparisons with numerical and experimental results show that the proposed modelling is sound and can capture most of the quasi-static and dynamic behaviour of single stage reduction units with thin-webbed gears and/or pinions. The model is then applied to the analysis of academic and industrial gears with the objective of analysing the contributions of thin, flexible bodies. Results are presented which highlight the role of centrifugal effects and tooth shape modifications at high speeds. Finally, the possibility to further improve gear web design with regard to mass reduction is investigated and commented upon

La diminution de l’impact environnemental des moteurs électriques conduit à des améliorations du rendement et de la compacité. Puisque la taille de la transmission est réduite, des problèmes d’échauffements peuvent apparaître car la surface d’échange avec l’environnement est fortement réduite, diminuant les possibilités de refroidissement. L’ensemble du système doit être caractérisé en termes de pertes de puissance et de capacité de transfert thermique pour déterminer si la température maximale en fonctionnement correspond aux exigences de fiabilité tout au long de la durée de vie du système. Cette thèse propose un modèle thermique d’une transmission avec des engrenages spiraux coniques, lubrifiée par bain d’huile. Le modèle thermique utilise la méthode des réseaux thermiques. Par conséquent, une estimation précise des pertes et des transferts thermiques entre les différents éléments est nécessaire. Une revue des méthodes existantes est présentée, indiquant que les pertes par barbotage des engrenages spiraux coniques ne sont pas totalement maîtrisées, entraînant la conduite d’une série d’essais sur un banc d’essai dédié. Cette étude se conclue sur l’application du modèle à la transmission ainsi que la proposition de points d’améliorations
Environmental concern leads to improvements in both efficiency and power density of electrical motors. For compact transmissions, thermal issues can become critical: the surface available for thermal exchange with the environment is reduced, minimizing the possibility to cool down the elements. To ensure the system reliability, the operating temperature for each operating condition must not exceed the required maximum oil temperature. In order to evaluate its thermal behavior, the whole system should be therefore evaluated in terms of power losses and heat transfer. This PhD proposes a thermal model of an existing oil bath lubricated gear unit with spiral bevel gears. The thermal model uses the thermal network method, which needs an accurate prediction of power losses of the different elements and heat transfer between them. A review of the existing methods is presented. Since the churning losses of spiral bevel gears has never been fully characterized, specific tests have been done on a dedicated test bench. The last part of this work suggests possible improvements on the gearbox design