Soutenance de thèse de Juliette LEPAGNEUL

La vis-à-rouleaux est un mécanisme complexe qui suscite un intérêt industriel depuis quelques années. Ses domaines d'application sont multiples qu'ils soient mécaniques, robotiques ou bien bioniques. Son nombre de contacts élevé lui confère un avantage considérable en termes de compacité et le rend compétitif en particulier pour l'industrie aéronautique. Appliquée aux commandes de vol principales d'hélicoptères, il est nécessaire d’éviter les défaillances liées à la fatigue des éléments soumis à des charges aéronautiques alternées. Ainsi cette thèse étudie la durée de vie en fatigue de la vis-à-rouleaux, peu approfondie dans la littérature. Développée à l'aide de trois types de modèles (analytique, numérique et expérimental), cette thèse vise à obtenir, à terme, une certification aéronautique. L’étude en fatigue nécessite d’obtenir les contraintes au contact. Pour cela il est nécessaire d’utiliser le modèle de Hertz. Ainsi, dans un premier temps, l'étude décrit le mécanisme de la vis-à-rouleaux et plus précisément la localisation et la géométrie des contact. La géométrie du jeu axial est également développée pour comprendre l'impact qu'il peut avoir sur la dynamique de la vis-à-rouleaux lors de la traversée des jeux. L'influence des paramètres de design sur ce jeu est également étudiée à l'aide de l'analyse de Sobol. La répartition des charges sur les filets étant non uniforme, un modèle minimaliste de distribution des efforts aux points de contact est développé. Cette théorie est validée par des essais expérimentaux. A l'aide de l'ensemble de ces éléments, comprenant la localisation et la géométrie des contacts ainsi que les efforts appliqués, l'utilisation du modèle de Hertz généralisé est possible. Les contraintes, en surface et dans le matériau, ainsi obtenues, le critère de fatigue multiaxial de Dang Van est utilisé afin de déterminer la durée de vie de la vis-à-rouleaux. Ainsi en fonction du type de vis-à-rouleaux (standard ou inversée), de sa géométrie et des matériaux utilisés, des efforts appliqués ou bien de la lubrification utilisée, il est possible d'obtenir des cartes des domaines de vie finie ou infinie. Une dernière partie aborde les perspectives associées à cette thèse. Pour valider la théorie développée dans le modèle analytique, des essais expérimentaux de fatigue de la vis-à-rouleaux sont mis en place et des résultats préliminaires sont obtenus. De plus, un modèle numérique, utilisant les éléments finis, est développé pour caractériser plus les charges aux contacts en considérant toute la souplesse du mécanisme. Cette thèse a permis d'accroître les connaissances sur le sujet de la vis-à-rouleaux, en particulier la formule du jeu axial et les paramètres de conception les plus influents sur ce jeu, mais également la durée de vie avec et sans souplesse du mécanisme.

Planetary roller screw is a complex mechanism that meets with growing industrial interest in recent years. It has a wide range of mechanical, robotic and bionic applications. Its numerous contacts allow high compacity and make it particularly competitive for the aeronautics industry. In order to use planetary roller screw for helicopter main flight controls with alternate aeronautical loads, fatigue-induced failures must be avoided with high safety factor. This thesis investigates the fatigue lifespan of planetary roller screw considering 3 tools, analytical analysis, numerical modelling and experiments. Eventually, this thesis aims to contribute to the aeronautical certification of planetary roller screws. Computation of fatigue lifespan of planetary roller screw requires a multi-step modelling sequence. First, the roller screw mechanism geometry is analysed focussing on the contacts location and curvatures. The geometry of the axial backlash is also developed, to understand the impact it may have on the dynamics of the roller screw as it crosses the backlash. The influence of design parameters on this backlash is also studied using Sobol analysis. Second, as the load distribution on the threads is non-uniform, a minimal model of load distribution at the contacts is developed considering mechanism compliance and linearized Hertz contact model. This theory is validated by experimental tests. Finally, contact stress fields are computed with the generalized Hertz model. Surface and bulk stresses allow to compute Dang Van's multiaxial fatigue criterion to determine the lifespan of the mechanism. This thesis provides for the first time a complete modelling pipeline to compute infinite lifespan domains, considering mechanism type, geometry, materials and applied loads. The final section discusses the perspectives opened by this thesis. In order to fully validate the theory developed in the analytical model, experimental fatigue tests of the rollers screw are set up and preliminary results are obtained. In addition, a numerical model, using finite elements, is developed to further characterize contact loads by considering the full flexibility of the mechanism without simplifying assumptions. This thesis has enabled us to increase our knowledge on the formula for axial backlash and the design parameters that influence most on this backlash, but also the lifetime with and without mechanism compliance.