Analysis and experimental validation of a four point contact ball bearing model with deformable ring by decoupling local and structural effects

Les roulements à billes sont l’un des composants les plus importants et les plus critiques dans les turbomachines ou dans les éoliennes. Les butées à billes rencontrées dans les pieds de pales d’éoliennes doivent supporter des chargements très élevés, avec des bagues très fines par rapport aux dimensions du palier. Le roulement à quatre points de contact à haute vitesse est un autre exemple de bagues minces, où la cinématique interne est fortement liée à la géométrie des pistes qui elle, dépend de la rigidité des bagues et des logements. Pour cette application, les pistes intérieures et extérieures sont archées et bien souvent constituées de deux demi-bagues. La souplesse de ces dernières ainsi que celle du logement modifie la géométrie interne et l’interaction entre les composants. Il est proposé dans cette thèse un modèle permettant de dimensionner des roulements à billes à quatre points de contact, principalement dans le domaine d'application des turbines aéronautiques. Ce modèle est capable de rendre compte des déformations globales des bagues et de leur logement et environnement proche. Un ensemble de travaux existants et différentes possibilités envisagées pour la mise en place d’un modèle de roulement à bagues déformables est présenté pour définir une stratégie de couplage efficace entre un modèle analytique et un modèle éléments finis. La prise en compte de la souplesse des bagues s’appuie sur la résolution préalable d’un problème semi analytique de modélisation avec bagues rigides. Ensuite un couplage entre les résultats de ce modèle et un modèle éléments finis est réalisée pour prendre en compte la souplesse des bagues. Des choix sont nécessaires pour ce couplage, notamment sur la modélisation des contacts billes/bagues par l’utilisation de forces nodales pour simuler fidèlement ces contacts. Plusieurs méthodes sont ainsi évaluées pour calculer au mieux la nouvelle géométrie de la bague, en observant son comportement lorsqu'elle est soumise au contact d'une bille. Finalement, cette souplesse est intégrée au modèle semi analytique pour comparer le comportement d'un roulement à bagues rigides à celui d'un roulement à bagues souples. Des premiers résultats numériques sur une géométrie académique montrent des variations des grandeurs internes du roulement (angles de contact, ellipse de contact) ainsi qu’une meilleure répartition du chargement. Des essais ont été réalisés pour valider expérimentalement le modèle développé dans cette thèse. Les comparaisons par mesures du déplacement axial des bagues et des ondulations en surface des bagues montrent que la souplesse du support n’est pas négligeable, même dans le cas de bagues larges. Egalement, ces essais ont démontré la pertinence du couplage entre un modèle analytique et un modèle éléments finis pour rendre compte des déformations de bagues de roulements à billes à quatre points de contact.Ball bearings are one of the most important and most critical part in turbomachine and wind turbine. They require a careful design in order to create reliability and economic relevance, which leads to compact bearings with high dynamic and static load capacity. Then ball bearing encountered in wind turbine must carry high loads, with thin rings regarding mean diameter of the bearing. High speed four point contact ball bearing is another example of thin rings, where internal kinematics is highly linked to raceway geometry, and raceway geometry depends on rings and housing stiffness. For this application, internal and external ring are arched and frequently made of two parts. There stiffness change the internal geometry and interaction with bearings components. It implies a change in load distribution and internal speed. As a consequence bearing and housing stiffness is an important parameter in order to estimate the admissible loads for the bearing. This thesis propose a model for the four point contact ball bearing, mainly for aeronautical turbine engine. This model can account for structural ring deformation as well as of housing deformation. Some existing work and different possibility for such a model are presented in order to define a coupling strategy between an analytical model and a finite element model. The accounting for ring stiffness rely on the resolution of a rigid ring semi analytical model. Then a coupling between this results and finite element results is done in order to account for ring stiffness. Some choices are made for the coupling, especially on ball/ring interaction by using nodal forces to model contact with fidelity. Some methods are evaluated to compute new ring geometry due to contacts with balls. Finally this stiffness is integrated in the semi analytical model in order to compare the behavior of rigid ring bearing with deformable ring bearing. First numerical results on an academic bearing shows change in internal parameter (contact angle, contact ellipse) and a better load distribution. Some experimental tests are made in order to validate the model presented in this thesis. Comparison on axial displacement and ring surface undulation shows that housing stiffness is not negligible even with large ring bearing. This tests show the relevance of a coupling between an analytical model and a finite element model in order to account for ring deformation in four point contact ball bearing