Types de Contraintes des engrenages

Types de Contraintes des engrenages

Mise en contexte

  Dans le domaine des matériaux, une catégorie particulière, les plastiques, présente des qualités intéressantes : ils sont très abondants, peu coûteux, légers, durables, résistants à la corrosion, en plus d‘avoir des propriétés d’isolation thermique et électrique élevées. Vu ces caractéristiques, le succès commercial des plastiques n‘est pas totalement surprenant. La diversité des matériaux plastiques et la polyvalence de leurs propriétés sont utilisées pour réaliser une vaste gamme de produits qui apportent des progrès technologiques à l‘ industrie, des économies aux entreprises et de nombreux avantages à la société (Andrady and Neal 2009). La fabrication d’articles en plastique a ainsi augmenté considérablement au cours des 60 dernières années, passant d’environ 0,5 million de tonnes en 1950 à plus de 260 millions de tonnes aujourd’hui (Thompson, Moore et al. 2009).Uniquement en Europe, l’industrie du plastique affiche un chiffre d’affaires supérieur à 300 millions d’euros et emploie 1,6 million de personnes (Europe 2009). Presque tous les aspects de la vie quotidienne impliquent des plastiques: dans les transports, les télécommunications et dans la fabrication des chaussures. On les retrouve aussi, comme matériaux d’emballage qui facilitent le transport d’une large gamme de produits alimentaires, des boissons  et d’autres produits (Thompson, Moore et al. 2009). Il existe un potentiel considérable pour de nouvelles applications de matières plastiques qui apporteront des avantages à l’avenir (Andrady and Neal 2009).    Actuellement, l‘engrenage qui est d‘emblée choisi pour une application donnée est souvent en plastique. À cet égard, selon une analyse du Groupe Freedonia, les applications d’engrenages en plastique ont augmenté de 83 % entre 2003 et 2013. Cette augmentation représente 1300 M$ en 2013, contre 710 M$ en 2003 (Freedonia 2012, Mijiyawa, Koffi et al. 2014). Cependant, malgré leurs multiples avantages, l‘ usage intensif des matériaux plastiques et composites de base polymérique pose des problèmes de développement durable du fait de l’épuisement des ressources pétrolières et de la pollution qu’elles engendrent. La pollution associée à des matières plastiques nous amène à considérer des applications où les plastiques pourraient être remplacés par d’autres matériaux, à tout le moins partiellement (Mijiyawa, Koffi et al. 2014).Grâce à une plus grande sensibilisation aux problèmes environnementaux, cette dernière décennie a connu une utilisation croissante des fibres naturelles comme renfort dans les matériaux composites. L’alternative que nous proposons dans le présent projet consiste à étendre l‘ usage de nouveaux plastiques d‘ origine végétale et de leurs composites en fibre de bois d‘ origine papetière à la fabrication des pièces mécaniques comme les engrenages.

  En plus d‘ être recyclables, les composites à fibres de bois (biocomposites) présentent des propriétés mécaniques intéressantes et peuvent concurrencer, dans plusieurs domaines d‘ application, avec les matériaux non écologiques traditionnels. Ce « virage vert » contribue fortement à diminuer l‘ effet négatif de notre croissance économique sur l’environnement. Notre travail porte donc sur la mise en œuvre et l‘ étude de l‘endommagement thermomécanique des pièces en bioplastique ou plastique d‘ origine végétale et en composites de fibres naturelles. Le choix de ces matériaux doit être commandé par leurs multiples caractéristiques propres reconnues qui leur procurent un avantage par rapport aux matériaux conventionnels.

La fatigue à la racine de la dent

  Plus particulièrement, la rupture des engrenages résulte fréquemment d’une propagation des fissures à la racine de la dent, fissures engendrées par la fatigue en flexion (Alban 1984, Fernandes and McDuling 1997, Errichello 2002).Ce mode de bris est moins fréquent dans les engrenages en plastique et en plastique-composite à cause de la ténacité de ces matériaux. Cependant, il demeure un mode important. Il est donc important de l’étudier afin de savoir comment l’intégrer à un modèle d’éléments finis. La Figure 11-1 montre un exemple d’engrenage ayant eu le mode d’endommagement de fatigue à la racine.Les normes ne considèrent que la phase finale du processus de fatigue à la racine de la dent, c’est-à-dire l’apparition de la défaillance finale. Cependant, le processus complet de la rupture par fatigue des éléments mécaniques peut être divisé selon les étapes suivantes (Socie and Bannantine 1988, G1odez, Flasker et al. 1997,De-Guang, Wei-Xing et al. 1998): (i) nucléation des microfissures, (ii) croissance des microfissures (iii)croissance des longues fissures et (iv) occurrence de la défaillance finale. Quand il s‘agit d’un nouveau matériau, il est important de bien étudier ces phases de développement de la fatigue.En applications pratiques d’ingénierie, les deux premières étapes sont généralement qualifiées de « périodes d‘amorçage des fissures », tandis que la croissance des longues fissures est appelée « période de propagation des fissures ». Cette approche est présente dans les recherches sur la capacité de charge à la racine de la dent avec une détermination expérimentale de la période d‘ initiation des fissures (Lewicki and Ballarini 1997), généralement en se basant originalement sur la norme ASTM 399 de flexion en trois points (Flasker, G10dez et al. 1995

L’endommagement thermique (de surface et généralisé)

 La température a une grande influence sur l’endommagent des engrenages plastiques. Son élévation détériore les propriétés mécaniques telles que la résistance à la rupture, la résistance au fluage et le module élastique. La gravité de l’échauffement par frottement et par hystérésis est accentuée par la faible conductibilité thermique des plastiques.Il est bien connu que, pour les plastiques, il existe une température limite appelée « température de transition» ou Tg ou encore « température de transition vitreuse» (glass temperature en Anglais).Cette température est assez basse pour les polymères en général. Pour les polymères thermodurcissables,elle est un peu plus élevée étant donné que beaucoup d‘engrenages en plastique sont réalisés dans des matériaux thermodurcissables (Ex. nylon [PA], acétal [POM]).Le fait de pouvoir utiliser les engrenages plastiques sans lubrification complique davantage les problèmes liés à l‘échauffement. La lubrification permet, en effet, d‘évacuer la chaleur et de réduire le frottement afin d‘augmenter la performance de l‘engrènement. Plus encore, à la température de régime permanent, viennent s‘ajouter d‘ importantes élévations instantanées, localisées dans la zone du contact hertzien pour une position donnée le long de la ligne de contact réel. Nous appelons cela la « température instantanée ». Ainsi, dans le cas des engrenages en plastique, si un type d‘endommagement est causé par ùne température trop élevée concentrée à la surface de la dent, nous parlons « d‘endommagement thermique de surface ». Quand l‘endommagement est dû au ramollissement général de la dent, nous disons qu ‘il s‘agit d‘ un « bris thermique généralisé ». Nous pouvons synthétiser les méthodes couramment utilisées pour la vérification préventive de ces deux modes d‘endommagement dans le Tableau 11-1 (Koffi D, Bellosta et al. 1995). Un exemple d‘engrenage en plastique ayant de la fusion à la surface est montrée à la Figure 11-2 et une engrenage ayant un bris thermiques généralisé est montre à la Figure 11-3.

Table des matières

Chapitre 1 – Introduction
1. J Mise en contexte
1.2 La problématique
1.3 Objectifs
1.4 Relation entre les chapitres suivants
1. 5 Références
Chapitre II – Revue bibliographique
lI. J Courants de pensée
Il.1.1 La fatigue à la racine de la dent.
11.l.2 L’endommagement thermique (de surface et généralisé)
II.1.1 L’usure de la dent ……… La fatigue à la racine de la dent
11.3 Cadre théorique
11.3 .1.1 Particularités des engrenages en plastique
11.3.1.2 Longueur du contact en dehors de la ligne d‘action
11.3.1.3 Fonction de répartition de la charge normale transmise
11.3 .1.4 La vitesse de glissement en fonctionnement
II.3.1.5 Le coefficient de frottement
II.3 .1.6 La contrainte de contact
11.3.1.7 Le traitement de l‘aspect thermique
II.3 .1.8 La génération de chaleur par frottement
II.3.1.9 La répartition de la chaleur générée par le frottement
II.3 .1.1 0 La génération de chaleur par hystérésis
II.3 .1.11 Analyse de la fatigue
II.3.1.12 Le processus d‘ usure de la dent
11. 4 Originalité
11.5 Références
Chapitre III – Méthodologie
111.1 Fabrication du matériau
111. 2 Caractérisation des matériaux
111.3 Émission acoustique
111.4 Fonctionnement réel simulé 
111.5 Simulation numérique de l’endommagement des engrenages en plastique
1ll.6 Références 
Chapitre IV – Résultats
I V. 1 Caractérisation de l ‘endommagement en traction d’un composite en polyéthylène avecfibres courtes de bouleau assisté par l ‘émission acoustique
lV.l .1 Résumé
IV.l.2 Résultats et discussion
IV.2 Développement des nouveaux matériaux biocomposites et composites verts: Propriétés en traction et enflexion, et analyse de l’endommagement en utilisant l’émission acoustique
IV.2.1 Résumé
IV.2.2 Résultats et discussion
IV. 3 Caractérisation de l’endommagement des composites en polyéthylène bio et vert renforcé avec des fibres de bouleau sous essais de fluage et cyclique suivi par émission acoustique mu/tivariable
IV.3.1 Résumé
IV.3.2 Résultats et discussions
1V.4 L ‘utilisation optimisée des trous de refroidissement pour diminuer la quantité d’endommagement thermique sur une dent d’engrenage en plastique 
IV.4.1 Résumé 
IV.4.2 Résultats et discussion
1V.5 Modélisation de la durée de vie et du mode d’endommagement des engrenages en plastique
IV.5.1 Résumé
IV.5.2 Résultats et discussion
Chapitre V – Conclusions et perSpectives
V.l Conclusions – Partie matériaux développés
V.2 Conclusions – Volet engrenage
V.3 Limitations de l ‘étude et perspectives
ANNEXE A : Forces de l’engrènement
ANNEXE B : Contraintes de l‘ engrenage
ANNEXE C : Types de Contraintes des engrenages
C.I. Contrainte de flexion
C.2. Contrainte à la surface
ANNEXE 0: certification vinçotte de contenu bio-sourcé du bio-pe
ANNEXE E : Certification internationale de durabilité ISCC PLUS des bioplastiques braskem

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