En effet, l'huile doit assurer à la fois la lubrification des contacts entre les pièces mobiles et l'évacuation des calories produites lors du fonctionnement de la boîte de vitesses. Enfin, une étude est présentée concernant la recherche d'un niveau d'huile optimal dans une boîte de vitesses.
BIBLIOGRAPHIE
Introduction
Classiquement, les pertes dans un réducteur se répartissent en deux familles selon leur origine [3] [4] : les pertes dépendant de la charge transmise par le réducteur et les pertes indépendantes de la charge. Le lubrifiant joue également le rôle de fluide caloporteur dont le but est d’évacuer la chaleur générée par les pertes.
Les pertes et la lubrification dans une boîte de vitesses automobile
Ce chapitre propose d'une part d'analyser les différentes sources de pertes dans une boîte de vitesses manuelle automobile et d'autre part d'étudier la manière dont les modèles de la littérature considèrent les propriétés du lubrifiant dans ces sources de distribution. Cependant, la lubrification de la liaison entre l'arbre et les pignons fous doit être réalisée au travers d'un arbre creux dans lequel circule de l'huile pour alimenter les contacts [5].
Les lubrifiants de boîtes de vitesses
De même, les valeurs de la capacité thermique spécifique, notées 𝐶𝑝, de l'huile minérale sont évaluées par la formulation suivante. Ainsi, la valeur de densité estimée à la température T est donnée par la relation suivante.
Principales sources de pertes dans une boîte de vitesses
Il est alors intéressant de pouvoir identifier les pertes qui surviennent dans la boîte de vitesses et d'identifier les principales sources de pertes selon les conditions de fonctionnement. Cependant, il existe différentes approches dans la littérature pour modéliser les pertes dans les boîtes de vitesses.
Les propriétés du lubrifiant dans les modèles de pertes dépendantes de la charge
Dans ce cas, le couple de frottement ne dépend pas des propriétés du lubrifiant utilisé. Le couple de perte dépendant de la charge se décompose donc en un moment de frottement de roulement (en tenant compte de la viscosité du lubrifiant) et un moment de frottement de glissement.
Les propriétés du lubrifiant dans les modèles de pertes indépendantes de la charge
Il en va de même pour les roulements, de sorte que les pertes sont évaluées indépendamment de la charge. Le couple de frottement indépendant de la charge 𝐶0 est évalué en utilisant la viscosité cinématique à la température de fonctionnement du roulement [27] avec la formulation suivante.
Pertes par barbotage
- Modèle de Terekhov
- Modèle de Boness
- Modèle de Lauster
- Modèle de Changenet
- Modèle de Höhn
- Modèle analytique de Seetharaman et Kahraman
- Analyse critique des différents modèles
Les pertes par projection sont exprimées en fonction de l'immersion relative de l'engrenage dans le bain d'huile pour une vitesse de rotation de 3000 tr/min. Le modèle Boness a également été utilisé par Roulet pour évaluer les pertes par bullage dans la boîte de vitesses qu'il a étudiée.
Lubrification par barbotage
En effet, les résultats présentés dans le tableau I-2 concernant l'eau montrent que les pertes mesurées avec ce liquide sont supérieures à celles obtenues avec le pétrole. Le niveau d’huile dans le carter est en effet un paramètre important qui affecte à la fois les pertes de chaleur et les échanges thermiques.
Conclusion
Les informations quantitatives sur le fonctionnement de la lubrification par barbotage font donc défaut. Le but est de pouvoir établir un modèle capable d'évaluer les débits projetés dans certaines zones d'une boîte de vitesses afin d'améliorer le réglage de la lubrification.
PERTES PAR BARBOTAGE
Introduction
C’est pourquoi il est nécessaire de disposer d’un modèle analytique capable d’estimer les pertes par projection dans une boîte de vitesses dès la phase de conception. Les résultats des mesures montreront que les deux seules propriétés du fluide, à savoir la densité et la viscosité, sont insuffisantes pour estimer les pertes par bulles dans certaines conditions opératoires.
Pertes par barbotage
- Banc d’essais de mesure des pertes
- Modèle de base
- Extension du modèle aux dentures hélicoïdales
- Cas du disque
- Haute vitesse, haute température
La figure II-5 montre ainsi les pertes mesurées pour une immersion relative comprise entre 0,35 et 0,5 dues à la dilatation de l'huile. La figure II-6 montre l'évolution des pertes pour un disque (Tableau II-4) en fonction de la température pour un creux relatif compris entre 0,5 et 0,6.
Mise en évidence du rôle de l’aération [48]
- Mesure de l’aération
- Parallèle entre pertes et aération
Ces observations conduisent à des mesures de l'aération du bain d'huile à l'aide de l'appareil air-X. Des tests complémentaires ont été réalisés sur huile et eau pour des conditions de fonctionnement similaires (pignon n°1, h/R=0,5, T=50°C).
Développement d’un modèle
- Correction de densité et viscosité pour huile aérée
- Modèle [57] [58]
- Calculs des paramètres R b , A 0
Basé sur l’aération du bain d’huile, l’intention est de lier ensuite le volume d’air 𝑉𝑏 à un volume d’huile de référence, 𝑉𝑝𝑖𝑔. A partir du rayon des bulles il est possible de proposer une formulation pour modéliser l'évolution de l'aération en fonction de la température. Le nombre de bulles étant considéré comme constant, l’aération en fonction de la température peut être calculée comme suit.
Résultats
La formulation (II-8) ayant été validée pour les engrenages à dents hélicoïdales, il semble intéressant de valider le modèle considérant la ventilation pour de telles dents. La présentation des pertes calculées est divisée en deux parties : les pertes sans prise en compte de la ventilation (formulation (II-8)) et les pertes 𝑃𝑎𝑒𝑟𝑎 (Équation (II-24)) si les niveaux de ventilation justifient leur prise en compte. compte dans le modèle. La prise en compte du débit de ventilation avec l'équation (II-24) permet de compenser les écarts observés.
Conclusion
Le modèle heuristique développé permet de calculer ces différences et les nombreux tests sur lesquels le modèle a été testé démontrent sa robustesse.
ETUDE DES DEBITS D’HUILE PROJETEE
Introduction
Dans un premier temps, le dispositif expérimental développé pour cette étude et le principe de mesure seront présentés. Une fois la fiabilité du processus de mesure démontrée, les principaux résultats de la campagne de mesures à grande échelle seront décrits et analysés.
Dispositif expérimental
- Architecture du banc d’essais
- Validation du fonctionnement et mise en place d’une procédure d’essai
La conception du réservoir permet de mesurer le débit d’huile à travers une zone précise (fenêtre de réception) de l’espace. La figure III-4 montre le réservoir de réception d'huile et sa position par rapport à l'arbre de pignon. Des séries de mesures ont donc été réalisées pour prendre en compte l'influence du nombre d'acquisitions (Figure III-5).
Campagne de mesures
- Définition des paramètres des essais
- Différents régimes de projection
- Calcul d’un débit d’après les travaux de Blok [41]
- Influence de la denture : cas limite du disque
- Estimation du débit projeté basé sur le concept de couche limite
En effet, le débit d'une pompe à engrenages se caractérise par une évolution linéaire du débit en fonction de la vitesse de rotation [2]. L'évolution du débit mesuré en fonction de la vitesse de rotation (Figure III-7) peut être comparée en outre avec les mesures de pertes dues à la projection de lubrifiant réalisées par Terekhov [33]. Le flux associé à la couche limite qui se forme à la périphérie de la cellule s'exprime comme suit.
Analyse dimensionnelle
- Paramètres influents
- Simplification du nombre de paramètres
- Modèle de débit
Les résultats présentés sur la figure III-22 montrent qu'une diminution de la viscosité de l'huile entraîne une diminution du débit mesuré. Ainsi l'influence de la largeur se traduira à travers le calcul du flux généré par la périphérie (formulation (III-7)). Enfin, quatre formulations de débit sont proposées en fonction de la valeur de tous ces paramètres.
Résultats du modèle
- Dentures droites
- Approche pour dentures hélicoïdales
Ici aussi, à l'image des résultats présentés sur la Figure III-27 et la Figure III-28, on observe une bonne corrélation entre les mesures et le modèle (écart relatif égal à 11% en moyenne), ce qui confirme que les dents ont peu d'influence sur le débit projeté pour la plage de vitesse étudiée. La figure III-31 montre les résultats expérimentaux obtenus ainsi que le modèle développé pour les dents droites. C'est pourquoi la corrélation entre le modèle et les mesures n'est pas aussi bonne que celle montrée dans la section précédente.
Conclusion
L'échange thermique entre les deux éléments constitutifs de l'huile (n°4 et 5) peut s'exprimer comme suit. Tout simplement, un moteur électrique entraîne l’arbre principal de la boîte de vitesses. La figure IV-13 présente l'évolution de la solubilité de l'air dans l'huile (annexe n°3) et de l'aération (équation (II-28)) créée par.
APPLICATIONS
Introduction
Cette interaction a été traitée du point de vue des pertes de puissance dues au phénomène de bullage, mais également du point de vue de la lubrification et donc des projections. Puis une étude de sensibilité est réalisée et l’impact d’une huile à aération importante est particulièrement quantifié. Enfin, les modèles de projection de flux développés au chapitre trois permettent de traiter un aspect de la lubrification de la boîte de vitesses étudiée.
Description de la boîte de vitesses étudiée
- Réseau thermique de la boîte DCT
- Pertes par traînée de la boîte DCT
- Résultats du code de calcul
La figure IV-4 montre le réseau thermique du boîtier DCT, qui comprend donc l'ensemble des 48 éléments présentés dans le tableau IV-3. La circulation d'un flux d'huile entre le carter de différentiel et le carter de boîte de vitesses est assurée par la rotation de la couronne de différentiel (Figure IV-2). L'observation de la répartition des pertes dans le caisson étudié montre que cette augmentation des pertes est principalement attribuée aux effets de coupure d'huile dans les synchroniseurs (Cf. Figure IV-10).
Influence des propriétés classiques de l’huile
- Masse volumique
- Viscosité cinématique
Ceci explique l'augmentation des pertes calculée avec une augmentation de la densité. Contrairement aux résultats qui viennent d’être présentés, il peut être intéressant d’observer l’influence de la viscosité cinématique. L'influence de la viscosité cinématique est étudiée à l'aide de l'huile utilisée dans la boîte de vitesses DCT (huile n°1) et d'une huile de plus faible viscosité à froid.
Influence de l’aération
Pour étudier l’influence de l’aération sur les pertes par éclaboussures, la boîte de vitesses ML6C a été choisie. La figure IV-17 montre les pertes en bulles calculées dans le caisson ML6C en fonction du pourcentage d'aération considéré. La figure IV-18 montre l'évolution de la perte de couple calculée (pour les conditions suivantes : 6ème rapport engagé, N=5000 tr/min, huile=80°C) en fonction du pourcentage d'aération du bain d'huile.
Etude de la lubrification
- Influence du niveau d’huile
- Détection de régimes de fonctionnement critiques
La figure IV-21 illustre ce phénomène d'échauffement de l'engrenage après son immersion dans le bain d'huile. Cependant, pour réduire les pertes par projection, il est avantageux de réduire au maximum l’immersion de l’engrenage dans le bain d’huile. La rainure d'alimentation en huile du roulement peut être déplacée pour collecter un débit d'huile plus important.
Conclusion
Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur l'étude de la perte de puissance et de la lubrification dans une boîte de vitesses automobile. Ainsi, l’étude de l’aération et de la lubrification d’un point de vue macroscopique dans une boîte de vitesses ouvre des perspectives de travail intéressantes. Pour déterminer la solubilité d’un gaz dans un pétrole, il est nécessaire de connaître la densité du pétrole (Tableau II-3) en fonction de la température.
A partir de la densité de l'huile (ρh) et de la densité de l'air (ρair) en fonction de la température (A3-6), le volume d'air effectivement dissous (Vi dissous) dans le bain d'huile (A3-7) prend de la valeur. La vitesse moyenne du film d’huile sortant de la dent peut être exprimée comme suit : 𝑈�=1.
