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Characterization of edge-contact influence on tridimensional elastohydrodynamic film shape, pressure, stress and temperature distributions

Najjari, Morteza (2014). Characterization of edge-contact influence on tridimensional elastohydrodynamic film shape, pressure, stress and temperature distributions. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This doctoral project investigates edge contact influence on pressure, lubricant film thickness, temperature, and stress distribution of finite line contacts under an elastohydrodynamic lubrication (EHL) regime. This type of contact represents a common source of problems in engineering structures such as gears, cams and roller bearings, since non-conforming contact surfaces in such structures undergo intense stresses while transferring loads through relatively small contact areas. Additionally, they induce stressconcentration zones at their extremities; as a result, profile modification becomes necessary.

The present study investigates influence of free edges on EHL characteristics of finite line contacts. The initial stage of the research develops a 3D numerical model for the thermal, non-Newtonian EHL of general contact problems. A semi-analytical method (SAM), based on the Boussinesq half-space theory, is combined with a free boundary correction process to provide a fast and precise description of edge contact conditions. A modified finite difference expansion of the Couette term of the Reynolds equation guarantees computational stability, while the Carreau expression defines the shear-thinning response of the lubricant. Free boundary impact on tridimensional stress distribution is also investigated by extending the free-edge correction procedure to evaluate the levels of surface and subsurface stresses using SAM. The stress distribution data derived from this procedure are then contrasted with Finite Element Method (FEM) results using a two-level factorial comparison. Three dimensionless factors — contact slenderness, contact length ratio, and load — are examined. The comparison shows that the new model developed in this thesis provides a high level of precision in the evaluation of stress distributions, while computing more than 125 times faster than FEM simulations. This powerful model is then used to investigate and establish the influence of different roller profile modifications on EHL film shape, pressure and temperature distributions. Based on a series of detailed analyses of different roller profile corrections, it is found that a large radius crowning combined with rounding corners provides the most effective profile adjustment.

In the last step of this study, this newly developed model is combined with a multi-objective particle swarm optimization (PSO) to arrive at formulas establishing crowning and corner rounding radii, which can be applied to the rapid design of optimal rollers. The formulas take into account three dimensionless factors — slenderness, load, and lubricant viscosity — and coefficients for the formulas are derived from the PSO results using a five-level factorial design. By concurrently optimizing three objective functions — contact pressure uniformity, film thickness stability, and maximum load capacity — the predictions of these formulas guarantee optimal profile modifications. This study contributes to the understanding of edge influence on EHL characteristics of finite line contacts, while offering a robust model for axial profile corrections of lubricated contact problems.

Titre traduit

Characterization of edge-contact influence on tridimensional elastohydrodynamic film shape, pressure, stress and temperature distributions

Résumé traduit

Ce projet de doctorat étudie l'influence du contact de bord sur la pression, l'épaisseur du film de lubrifiant, la température et la distribution des contraintes des contacts en ligne de dimension finie sous le régime de lubrification élastohydrodynamique (LEH). Ce type de contact représente une source fréquente de problèmes dans les structures d'ingénierie telles que les engrenages, les cames et les roulements, puisque les surfaces de contact non conformes dans ces structures subissent une pression intense pendant le transfert de charge par des zones de contact relativement petites. De plus, ils provoquent des zones de concentration de contraintes aux extrémités. En conséquence, une modification de profil devient nécessaire.

La présente étude analyse l’influence des frontières libres sur les caractéristiques du régime LEH pour des contacts en ligne de dimension finie. La première phase de la recherche développe un modèle numérique général 3D du régime LEH incluant les effets thermiques et non-newtonien du problème. Une méthode semi-analytique (SAM) basée sur la théorie de Boussinesq pour des espaces semi-infinis est combinée à un procédé de correction des frontières libres pour fournir une description rapide et précise des conditions de contact de bord. Une expansion modifiée en différences finies du terme de Couette contenu dans l'équation de Reynolds garantit la stabilité du calcul, tandis que l'expression Carreau définit la réponse de fluidification par cisaillement du lubrifiant. L'impact des frontières libres sur la distribution tridimensionnelle des contraintes est également étudié par l'extension de la procédure de correction de frontière libre pour évaluer les niveaux de contraintes de surface et sous la surface en utilisant SAM. Les données sur la répartition des contraintes dérivées de cette procédure sont alors mis en contraste avec les résultats de la méthode des éléments finis (MEF) en utilisant une comparaison factorielle à deux niveaux. Trois facteurs sans dimension à savoir le minceur du contact, rapport de longueur de contact et la charge sont examinés. La comparaison montre que le nouveau modèle développé dans cette thèse fournit un haut niveau de précision dans l'évaluation des distributions de contraintes, tout en calculant plus de 125 fois plus rapide que des simulations MEF. Ce modèle puissant est ensuite utilisé pour étudier et établir l'influence de différentes modifications de profils de rouleau sur la forme de film LEH, les distributions de pression et la température. En se basant sur une série d'analyses détaillées des différentes corrections de profil de rouleau, il est constaté qu'un grand rayon couronnant combiné avec des coins arrondis fournit l'ajustement de profil le plus efficace.

Dans la dernière étape de cette étude, ce modèle nouvellement développé est combiné avec une optimisation par essaim de particules (PSO) multi-objectif pour arriver aux formules établissant les rayons du couronnement et du coin arrondi, qui peuvent être appliquées à la conception rapide des rouleaux optimaux. Les formules prennent en compte trois facteurs sans dimension - minceur, charge, et la viscosité du lubrifiant - et les coefficients pour les formules sont dérivés à partir des résultats PSO en utilisant une conception factorielle à cinq niveaux. En optimisant simultanément trois fonctions objectives - l'uniformité de la pression de contact, la stabilité de l'épaisseur du film, et la capacité de charge maximale - les prédictions de ces formules garantissent des modifications optimales de profil. Cette étude contribue à la compréhension de l'influence du bord sur les caractéristiques de LEH des contacts en ligne fini, tandis que propose un modèle robuste pour les corrections de profil axiales des problèmes de contact lubrifié.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 97-103.
Mots-clés libres: Lubrification hydrodynamique. Mécanique du contact. Fluides non newtoniens. élastohydrodynamique, contact de bord, épaisseur du film, pression, température, contrainte, optimisation, PSO
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Guilbault, Raynald
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 19 nov. 2014 19:02
Dernière modification: 10 déc. 2016 16:43
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1376

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