Multiphysics modeling of ball bearings by Discrete Element Method in Elasto-Hydro-Dynamic regime

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse a contribué au développement d'un outil numérique dédié à la simulation des roulements à billes en conditions de service Elasto-Hydro-Dynamiques (EHD). Une modélisation originale, adaptée à ces organes de guidage en rotation, est donc mise en œuvre dans le cas des roulements à billes à contact radial SKF 6208 et à contact oblique SKF 7208. De par leur caractère multi-contact, les deux roulements sont modélisés par la Méthode des Eléments Discrets, avec une formulation hertzienne du contact elliptique pour déterminer les interactions billes/pistes de roulement et déformations aux contacts. En considérant, dans un premier temps, des indicateurs standards, à la fois cinématiques et dynamiques, les modèles discrets de roulements à billes 6208 et 7208, sont testés puis validés en conditions statiques et dynamiques. L'implémentation, dans un deuxième temps, d'un modèle rhéologique piézo-visco-élastique du lubrifiant a, quant à elle, contribué à mettre en évidence l'influence du pilotage en vitesse, du chargement imposé, ou encore, du jeu diamétral sur le régime de lubrification du roulement. Le couplage, dans un troisième temps, des propriétés rhéologiques et diélectriques du lubrifiant a permis de montrer la pertinence de la réponse électrique du roulement, en particulier pour l'identification de son régime de lubrification. En effet, la corrélation de l'épaisseur de film fluide à sa capacitance électrique s'est révélée un bon indicateur de l’état du contact lubrifié. Cette corrélation est corroborée par une bonne adéquation des prédictions numériques, obtenues avec le modèle discret de roulement à billes à contact radial 6208, et résultats expérimentaux issus de la littérature. En conclusion, la capacitance électrique du contact lubrifié est un indicateur fiable, pouvant être utilisé comme moyen de prédiction du régime de lubrification pour assurer une durée de vie optimale au roulementDuring this PhD thesis, we have focused on a digital tool for modeling ball bearing operating under elstohydrodynamic (EHD) regime. Based on an original description involving the discrete element method (DEM), the developed digital tool integrates all the components of ball bearings and enables realistic behavior under mechanical loading and kinematic conditions. Two models of ball bearings were considered and simulated with the digital tool, namely SKF 6208 radial contact ball bearing and SKF 7208 angular contact ball bearing. In order to check the standard indicators recommended by most ball bearing manufactures, a stiffness model for elliptical hertzian contact and an improved EHD formulation for lubricated contact are implemented in the discrete model of ball bearings. In addition, we have introduced into the discrete modeling an electrical capacitance model coupling rheological and dielectric properties of the lubricant with the Hertz's pressure at the contact between the ball and the raceways. The numerical predictions of lubricant film capacitance provided by numerical simulations are in good accordance, both qualitatively and quantitatively, with the experimental data available in the literature. The combination of the discrete modeling and the electrical approach enables efficient solutions to be provided in terms of lubrication regime in relation to the lubricant properties to optimize the bearing lifetim