Modélisation et simulation de contacts lubrifiés dans les systèmes multi-corps
Institution:
ValenciennesDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Les prévisions de la durée de vie ainsi que l’amélioration du rendement des moteurs constituent de nos jours deux des atouts majeurs dans l’industrie automobile afin de pouvoir répondre aux nouvelles normes environnementales ainsi qu’à la croissance du marché des composants peu coûteux. Dans les différents mécanismes lubrifiés mis en jeu, le rapport entre la hauteur des aspérités de surface et l’épaisseur du film de lubrifiant séparant des solides en contact a une influence décisive sur les efforts de frottement et donc sur les pertes dissipatives et le risque d’usure des composants. Cependant, peu d’outils de simulation sont à ce jour disponibles pour l’étude de ces systèmes tribologiques obligeant les développeurs à recourir généralement à leur expérience personnel ou à des mesures souvent trop coûteuses. Afin d’améliorer les méthodes de dimensionnement, trois modèles sont développés pour l’évaluation de contacts élastohydrodynamiques non-conformes, plus particulièrement des contacts ponctuelles et linéiques, et sont employés pour la simulation de contacts entre came et suiveur dans des pompes haute-pression pour système common rail ainsi que de contacts entre les galets et la bande de roulement d’une pompe d’alimentation de carburant. Un premier modèle propose une représentation unidimensionnelle du comportement élastohydrodynamique pour des contacts soumis à de fortes charges. Il suppose que le champ de pression de contact puisse être approximer à partir la solution obtenue dans des contacts secs et évalue l’épaisseur centrale du film de lubrifiant au moyen de grandeurs caractéristiques sans dimension. Une modélisation simplifiée du frottement mixte est de plus considérée. Concernant les second et troisième modèles, une méthode de résolution plus précise est adoptée afin de considérer localement des intéractions fluide-structure. Une solution discrète de la distribution de pression de contact et de l’épaisseur du film de lubrifiant dans les contacts ponctuelles et linéiques est alors obtenue à partir d’une technique multigrille. Les trois modèles sont implémentés sous forme d’élément de contact ou d’élément à efforts multidimensionnels dans l’environnement de calcul multi-corps ADAMS/View de MSC. Software. Les résultats produits à partir du solveur discret coïncident avec ceux du modèle unidimensionnel, notamment pour l’épaisseur centrale du film de lubrifiant, et confirment l’hypothèse suggérée que le champ de pression généré dans les contacts élasto-hydrodynamiques fortement chargés se rapproche de celui engendré dans les contacts secs. Un couplage robuste est obtenu entre le solveur discret appliqué aux contacts élastohydrodynamiques ponctuels et l’environnement de calcul multi-corps. Cependant, certains problèmes d’instabilité dûs à des incompatibilités avec l’environnement de calcul multi-corps sont rencontrés en appliquant l’algorithme de résolution aux contacts linéiques. Des recherches supplémentaires sont alors nécessaires avant de pouvoir appliquer ce dernier à des systèmes industriels et le potentiel d’amélioration de l’environnement de calcul multi-corps pour de telles techniques de résolution est remis en question. Enfin, divers applications réussies du modèle unidimensionnel à une pompe haute-pression et à une pompe d’alimentation de carburant sont présentées.
Abstract FR:
Lifetime predictions and the improvement of the engine effectiveness represent nowadays parts of the most important commercial criteria in the automobile industry in order to response to the new environmental norms and to the constant growth of the market for low-cost components. In the different involved lubricated mecanisms, the ratio of the surface asperity heights to the lubricant film thickness has a decisive influence on the friction forces and thus on the energy dissipation and on the components wear. However, only a few simulation tools are nowadays available for the investigation of such tribological systems constraining the developers to often use their proper know-how or to conduct generally expensive measurements. In order to improve the dimensioning methods, three models are developed for the calculation of non-conforming elastohydrodynamic contacts, particularly for point and line contacts, and are applied to the simulation of cam-roller tappet contacts in high-pressure common-rail pumps and roller-raceway contacts in roller cell pumps. The first model is a one-dimensional representation of the elastohydrodynamic behaviour for heavily loaded contacts. It is based on the assumption that the contact pressure distribution may be approximated from the pressure distribution obtained in dry contacts and evaluate the central lubricant film thickness by means of dimensionless characteristic values. A simplified mixed lubrication model is additionally included. For the second and the third models, a more accurate solution method is adopted in order to consider locally the fluid-structure interaction. A discrete solution of the contact pressure and of the lubricant film thickness is obtained for point and line contacts using the multigrid technique. All three contact models are implemented as general force components or as contact elements in the multi-body system environment ADAMS/View from MSC. Software. Results from the discrete solver conform to those produced with the 1D model, especially for the central lubricant film thickness and confirm the assumption that the contact pressure distribution in heavily loaded elastohydrodynamic contacts approaches that in dry contacts. A robust coupling between the discrete solver for elastohydrodynamic point contacts and the multi-body system environment is achieved. However, instabilities are encountered by applying the solution algorithm to line contact problems due to incompatibilities with the multi-body system environment. Additional investigations are then required before employing the latter to industrial systems and the enhancement capability of the multi-body system environment to such complicated algorithms is questioned. Finally, successful applications of the unidimensional model in a high-pressure pump and in a roller cell pump are presented.