Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Cette étude permet d’adapter des matériaux composites thermoplastiques à fibres de bois aux engrenages, de fabriquer de nouvelles générations d’engrenages et de prédire le comportement thermique de ces engrenages. Après une large revue de la littérature sur les matériaux thermoplastiques (polyéthylène et polypropylène) renforcés par les fibres de bois (bouleau et tremble), sur la formulation et l’étude du comportement thermomécanique des engrenages en plastique-composite; une relation a été établie avec notre présente thèse de doctorat. En effet, beaucoup d’études sur la formulation et la caractérisation des matériaux composites à fibres de bois ont été déjà réalisées, mais aucune ne s’est intéressée à la fabrication des engrenages. Les différentes techniques de formulation tirées de la littérature ont facilité l’obtention d’un matériau composite ayant presque les mêmes propriétés que les matériaux plastiques (nylon, acétal…) utilisés dans la conception des engrenages. La formulation des matériaux thermoplastiques renforcés par les fibres de bois a été effectuée au Centre de recherche en matériaux lignocellulosiques (CRML) de l’Université du Québec à Trois-Rivières (UQTR), en collaboration avec le département de Génie Mécanique, en mélangeant les composites avec deux rouleaux sur une machine de type Thermotron-C.W. Brabender (modèle T-303, Allemand) ; puis des pièces ont été fabriquées par thermocompression. Les thermoplastiques utilisés dans le cadre de cette thèse sont le polypropylène (PP) et le polyéthylène haute densité (HDPE), avec comme renfort des fibres de bouleau et de tremble. À cause de l’incompatibilité entre la fibre de bois et le thermoplastique, un traitement chimique à l’aide d’un agent de couplage a été réalisé pour augmenter les propriétés mécaniques des matériaux composites. Pour les composites polypropylène/bois : • Les modules élastiques et les contraintes à la rupture en traction des composites PP/bouleau et PP/tremble évoluent linéairement en fonction du taux de fibres, avec ou sans agent de couplage (Maléate de polypropylène MAPP). De plus, l’adhérence entre les fibres de bois et le plastique est améliorée en utilisant seulement 3 % MAPP, entraînant donc une augmentation de la contrainte maximale bien qu’aucun effet significatif ne soit observé sur le module d’élasticité. • Les résultats obtenus montrent que, en général, les propriétés en traction des composites polypropylène/bouleau, polypropylène/tremble et polypropylène/bouleau/ tremble sont très semblables. Les composites plastique-bois (WPCs), en particulier ceux contenant 30 % et 40 % de fibres, ont des modules élastiques plus élevés que certains plastiques utilisés dans l’application des engrenages (ex. Nylon). Pour les composites polyéthylène/bois, avec 3%Maléate de polyéthylène (MAPE): • Tests de traction : le module élastique passe de 1.34 GPa à 4.19 GPa pour le composite HDPE/bouleau, alors qu’il passe de 1.34 GPa à 3.86 GPa pour le composite HDPE/tremble. La contrainte maximale passe de 22 MPa à 42.65 MPa pour le composite HDPE/bouleau, alors qu’elle passe de 22 MPa à 43.48 MPa pour le composite HDPE/tremble. • Tests de flexion : le module élastique passe de 1.04 GPa à 3.47 GPa pour le composite HDPE/bouleau et à 3.64 GPa pour le composite HDPE/tremble. La contrainte maximale passe de 23.90 MPa à 66.70 MPa pour le composite HDPE/bouleau, alors qu’elle passe à 59.51 MPa pour le composite HDPE/tremble. • Le coefficient de Poisson déterminé par impulsion acoustique est autour de 0.35 pour tous les composites HDPE/bois. • Le test de dégradation thermique TGA nous révèle que les matériaux composites présentent une stabilité thermique intermédiaire entre les fibres de bois et la matrice HDPE. • Le test de mouillabilité (angle de contact) révèle que l’ajout de fibres de bois ne diminue pas de façon significative les angles de contact avec de l’eau parce que les fibres de bois (bouleau ou tremble) semblent être enveloppées par la matrice sur la surface des composites, comme le montrent des images prises au microscope électronique à balayage MEB. • Le modèle de Lavengoof-Goettler prédit mieux le module élastique du composite thermoplastique/bois. • Le HDPE renforcé par 40 % de bouleau est mieux adapté pour la fabrication des engrenages, car le retrait est moins important lors du refroidissement au moulage. Afin de mieux prédire le comportement thermique des engrenages (30 dents dans cette thèse), les paramètres intrinsèques du matériau composite déterminés sont : • Module élastique E • Masse volumique ρ • Coefficient de Poisson υ • Conductibilité thermique k • Chaleur spécifique C • Coefficient d’amortissement tan δ Le test de DMA (analyse mécanique dynamique) nous révèle que le module de stockage E’ diminue avec la température, mais augmente avec le taux de fibres de bois. Le module de perte E’’ augmente à basse température, atteint un maximum, puis diminue à haute température, mais augmente aussi avec le taux de fibre de bois. Enfin, un dernier paramètre, le taux d’amortissent tan δ augmente avec la température, mais diminue en fonction du taux de fibres. Les essais expérimentaux sur les engrenages en composite HDPE/40%bouleau, désigné « GEAR40B » (Z1=Z2=30), donnent les résultats suivants : Le couple admis par les engrenages à une vitesse de 500 tr/min est 12.5 N.m. • À 500 tr/min, la température d’équilibre Tb augmente de 43.5 % (33.79 °C à 48.52 °C), alors qu’à 1000 tr/min, elle augmente de 50.71 % (35.45 °C à 53.43 °C). • Tb augmente de 5 %, 8 %, 9 % et 10 % respectivement pour les couples 2.5 N.m, 5 N.m, 7.5 N.m et 10 N.m quand on double la vitesse de rotation (500 tr/min à 1000 tr/min). • Tb diminue au fur à mesure qu’on s’éloigne du point de contact, en allant vers le centre de l’engrenage. Quant à la simulation thermomécanique avec MATLAB sur les engrenages « GEAR40B » (Z1=Z2=30), les résultats sont les suivants : • Les températures d’équilibre maximales sont sur le flanc chargé de l’engrenage. On observe une diminution de la température d’équilibre non seulement en allant vers le flanc non chargé, mais aussi en allant vers le centre de l’engrenage. • Tout comme dans le cas de la méthode expérimentale, la température d’équilibre moyenne Tb évolue linéairement indépendamment de la vitesse de rotation (500 tr/min ou 1000 tr/min) en fonction du couple appliqué. La simulation numérique semble mieux prédire la température d’équilibre à la vitesse de 500 tr/min; alors qu’à 1000 tr/min, on remarque une divergence du modèle.

This study allows to adapt wood-plastic composites (WPCs) to gears, to create new gears generations and to predict the thermal behaviour of these gears. After a major review of the literature on thermoplastic materials (polyethylene and polypropylene) reinforced by wood fibers (birch and aspen), on the formulation and the thermomechanical behaviour study of composite plastic gears; a relationship has been established with our current PhD thesis. Indeed, many studies on the formulation and characterization of the WPCs have already been carried out, but none has focused on gears manufacturing. The various formulation techniques of the literature have facilitated the production of a composite material having almost the same characteristics as the plastic materials (nylon, acetal, etc.) used in the gears design. The WPCs formulation was carried out at the Research Center for Lignocellulosic Materials of the University of Quebec at Trois-Rivières (UQTR), in collaboration with the Department of Mechanical Engineering, by blending composites with two rolls of Thermotron-C.W. Brabender machine (German model T-303), then parts were made by thermocompression. Thermoplastics used in this thesis are polypropylene (PP) and high-density polyethylene (HDPE), with birch and aspen fiber as reinforcement. Because of the incompatibility between wood fiber and thermoplastic, a chemical treatment using a coupling agent has been performed to increase the mechanical properties of WPCs. For polypropylene/wood composites: • Elastic moduli and tensile strengths of PP/birch and PP/aspen composites evolve linearly with the rate of fibres, with or without coupling agent (maleated polypropylene, MAPP). In addition, the adhesion between the wood fibers and the plastic is improved using only 3% MAPP, thus resulting in an increase in the tensile strength although no significant effect is observed on the Elastic modulus. • The results obtained show that, in general, the tensile properties of the PP/birch, PP/aspen and PP/birch/aspen composites are very similar. WPCs, especially those containing 30% and 40% wood fibers, have higher elastic moduli than some plastics used for gears application (e.g. Nylon). For polyethylene/wood composites, with 3% Maleated polyethylene (MAPE): • Tensile tests: the elastic modulus increases from 1.34 GPa to 4.19 GPa for the HDPE/birch composite, while it goes from 1.34 GPa to 3.86 GPa for the HDPE/aspen composite. The tensile strength increased from 22 MPa to 42.65 MPa for the HDPE/birch composite, while it increased from 22 MPa to 43.48 MPa for the HDPE/aspen composite. • Flexural tests: the elastic modulus increases from 1.04 GPa to 3.47 GPa for the HDPE/birch composite and to 3.64 GPa for the HDPE/aspen composite. The flexural strength increases from 23.90 MPa to 66.70 MPa for the HDPE/birch composite, while it increases to 59.51 MPa for the HDPE/aspen composite. • The Poisson’s ratio determined by the acoustic pulse is around 0.35 for all HDPE/wood composites. • Thermal degradation (TGA) tests reveal that composite materials have intermediate thermal stability between wood fibers and the HDPE matrix. • The wettability test (contact angle) reveals that the addition of wood fibers (birch or aspen) does not significantly reduce contact angles with water because the wood fibers appear to be wrapped by the matrix on the surface of the composites, as shown by Scanning Electron Microscope (SEM) images. • The Lavengoof-Goettler model better predicts the elastic modulus of the WPCs. • HDPE reinforced with 40% birch is better suited for gear manufacturing, as shrinkage is less important during casting cooling. To better predict the thermal behaviour of gears (30 teeth in this thesis case), the intrinsic parameters of the determined composite materials are: • Elastic modulus E • Density ρ • Poisson’s ratio υ • Thermal conductivity k • Specific heat C • Damping factor tan δ A Dynamic Mechanical Analysis (DMA) test reveals that the storage module E’ decreases with temperature but increases with the rate of wood fibers. The loss module E'' increases at low temperature, reaches a maximum, then decreases at high temperature, but also increases with the rate of wood fibers. Finally, a last parameter, the damping factor tan δ increases with the temperature, but decreases according to the rate of fibers. The gears experimental tests made of HDPE/40% birch composite, designated « GEAR40B » (Z1 = Z2 = 30), give the following results: • The torque admitted by the gears at a speed of 500 revolutions per minutes (rpm) is 12.5 Newton metre (N.m). • At 500 rpm, the bulk temperature (equilibrium temperature )Tb increases by 43.5% (33.79 °C to 48.52 °C), while at 1000 rpm, it increases by 50.71% (35.45 °C to 53.43 °C). • Tb increases by 5%, 8%, 9% and 10% respectively for torques 2.5 N.m, 5 N.m, 7.5 N.m and 10 N.m when the rotation speed is doubled (500 rpm to 1000 rpm). • Tb decreases as one moves away from the point of contact, towards the center of the gear. For the thermomechanical simulation with MATLAB on the “GEAR40B” gears (Z1 = Z2 = 30), the results are as follows: • The maximal bulk temperature Tb are on the loaded side of the gear. A decrease of Tb is observed not only towards the unloaded side, but also towards the center of the gear. • As in the case of the experimental method, Tb evolves linearly regardless of the rotation speed (500 rpm or 1000 rpm) depending on the applied torque. Numerical simulation seems to better predict the bulk temperature at the speed of 500 rpm; while at 1000 rpm, there is a divergence of the model.