Brevet FR2488351A1 — publié le 19820212

La présente invention se rapporte d'une façon générale un ensemble. d portée poux un joint a rotule, possé dant une meilleure capacité de support de charge par compas raison avec les joints classiques a rotule du type hémisphérique, On utilise couramment les joints a rotule du type hémisphérique, ctestw dire ne comportant qu'une moitié de bille, dans les assemblages de barres de direction d'automobiles, de bielles tractrices, de barres de torsion et de structures analogues, a chaque fois qu'il est nécessaire de transmettre une force d'un organe a un autre, tout en permettant a l'un des organes d'osciller ou de pivoter par rapport a l'autre, Les joints à rotule du type comportant une demi+Dille et un alvéole comprennent en général un tenon se terminant en une demiwbille disposée à l'intérieur d'un alvéole avec possibilité d'un contact de coulissement oscillant avec un segment sphérique concave de forme correspondante faisant partie de l'alvéole Les surfaces de portée en contact de la demi-bille et de l'alvéole sont fréquemment sollicitées l'une vers l'autre de manière à réaliser un assemblage rela- tivement serré qui élimine le jeu et le cliquetis, avec une compensation automatique de l'usure des surfaces portantes. Les inconvénients des joints classiques du type à rotule hémisphérique sont nombreux. La capacité de support de charge par un tel joint est limitée à une zone relativement petite de la surface périphérique de la demi-bille en contact avec la surface correspondante de l'alvéole, Une structure complexe est indispensable pour assurer la pré-charge des surfaces portantes dans les montages dans lesquels on désire empêcher le cliquetis et le jeu, tout en assurant une compensation automatique des cassures et de l'usure.Le degré d'angulation entre les éléments reliés par le joint et les caractéristiques de support de charge de l'ensemble sont limités, La présente invention vise à surmonter les. inconvéo nients de la technique antérieure et elle crée une structure de joint à rotule qui est l'éaivalent mécnique d'un joint classique à rotule entière et à alvéole mais qui est d'un poids plus faible, nécessite ainsi moins de matériau et ne comporte qu'un plus petit nombre de pièces que celui habituellement nécessaire pour des joints à rotules destinés à supporter des charges élevées, par exemple pour équiper les tiges de liaison dans les camions ou les tracteurs, les bielles tractrices, les barres de torsion, etc.Par ailleurs, l'invention crée un joint à rotule capable de permettre un déplacement angulaire de grande portée entre les éléments accouplés, en assurant une jonction à ajustage serré entre les surfaces portantes en contact mutuel, le joint étant exempt de jeu et de cliquetis et pouvant compenser automatiquement les ruptures et l'usure normale L'invention réalise les nombreux objectifs énoncés au moyen d'une structure de joint à rotule comprenant un tenon qui se termine en une tête creuse d'un seul tenant, ayant la forme d'une demi-bille et dont la surface sphérique périphérique vient en contact avec une surface sphérique concave correspondante de l'alvéole utilisé, la demi-bille définissant une cavité sensiblement hémisphérique dans laquelle vient s'engager un organe convexe hémisphérique de retenue ayant pour but de retenir la surface périphérique de la demi- bille en contact de coulissement oscillant avec la surface sphérique portante de l'alvéole. On effectue la pré-charge des surfaces portantes en contact mutuel à l'aide d'une ba- gue flexible qui pousse l'organe de retenue contre la cavité hémisphérique dans la demi-bille ou, en variante, qui pousse un segment de la surface sphérique de l'alvéole vers une position de contact avec la surface périphérique sphérique de la demi-bille. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées, à titre d'exemples non limitatifs, au dessin annexé. La fig. 1 est une vue de c6té avec coupe partielle d'un exemple de réalisation d'un joint à rotule selon l'in- invention. La fg, 2 est une vue éclatée de la structure repré- sentée sur la fig. 1 avant l'assemblage des composants, La fig. 3 est une vue analogue à la ftgl 1 mais montrant une-modification de cette dernire, Les fig. 4 5 et 6 sont des vues analogues à la fig, 1 mais montrent d'autres modifications de catte dernière, La fig, 7 est une vue schématique d'une structure sensiblement analogue à celle de la Rg, 1, les éléments rer liés par le joint étant disposés suivant un angle important l'un par rapport à l'autre, Dans le mode de réalisatton représenté sur les g, 1 et 2, un joint à rotule 10 selon l'invention comprend un tenon 12 muni à un bout d'une tête écrouie d'un seul tenant en forme de demi-bille 14, présentant une surface convexe sphérique périphérique 16 et une cavité ou évidement 18 ayant une surface hémisphérique concave 20, En assemblage la demi-bille 14 du tenon et l'organe d'un seul tenant avec la demi-bille sont disposés dans un élément à alvéole 22 (fig, 1) comportant une queue 24 fixée à la périphérie de l'élément à alvéole par un moyen commode quelconque, par exemv ple le soudage par friction, l'élément 22 présentant un alésage 26 à partir duquel vient dépasser le tenon 12, La sur face sphérique convexe périphérique 16 de la demi-bille 14 vient en contact de coulissement avec la portion de surface sphérique concave intérieure 28 de l'alvéole 22 et elle est capable d'un pivotement par rapport à cette dernière, Un élément portant de retenue en forme de cuvette 30, présentant une surface périphérique sensiblement hémisphérique 32 dont les dimensions se conforment à celles de la surface hé-misphé rique concave 20 de l'évidement 18 dans la demi-bille 14, est installé dans l'évidement 18 de manière que les surfaces hémisphériques correspondantes 20 et 32 soient en contact de coulissement oscillant l'un avec l'autre, La surface périphé- rique hémisphérique 32 de l'élément de retenue en forme de cuvette 30 est, dans l'exemple représenté, munie d'une série de rainures de graissage 34 formées suivant les méridiens de la surface hémisphérique périphérique 32 et rel1::-ées à une ouverture axiale 36 en positon centrale (f ig 1) dans laquelle est monté un raccord à grasse 38, Du fait que l'élément de retenue 3Q est en norme de cuvette, le raccord à graisse 38 dans la structure représentée est installé dans le fond d'ane cavité 40 et se trouve ainsi à l'abri des chocs provoqués par les cailloux, les pierres et d'autres objets lorsque le joint à rotule lOf selon l'inb vention, est incorporé dans le mécanisme de direction ou le mécanisme d'entrainement d'un véhicule automobile destiné à un service dur, d'un tracteur ou d'an engin analogue, On conçoit que,si on le désire, un capuchon antipoussière a! movible peut être fixé à l'extrémité ouverte de la cavité 40 pour protéger le raccord à graisse 38 et que ce raco cord à graisse lui-même peut être supprimé dans des structures de jointes hermétiques qui sont lubrifiés en permanence ou qui, en variante, utilisent des éléments rapportés en métal poreux pré-lubrifiés, des étoffes, des matières plastie ques ou encore des éléments rapportés en matière plastique ou une matière analogue ne nécessitant aucun graissage, L'élément rapporté en forme de cuvette 30 présente un rebord annulaire 42 faisant radialement saillie vers l'extérieur autour de l'extrémité ouverte de l'évidement 40, le bord périphérique du rebord annulaire 42 définissant une surface cylindrique 44 qui s'ajuste dans la partie cylin- drique de l'alésage 26 ménagé dans l'alvéole 22, L'élément rapporté 30 en forme de cuvette est maintenu dans la cavité hémisphérique 18 au sein de la demi-bille 14 par l'entremise d'une garniture toroSdale ou annulaire 46 con- fectionnée en un matériau élastomère approprié maintenu en compression contre la face terminale annulaire 48 du rebord 42 de l'élément rapporté en forme de cuvette 30 quand, après l'assemblage des éléments comme on peut le voir sur la fig. 1, les éléments sont maintenus en position assemblée à la suite du forgeage ou emboutissage de la bordure 50 (fig, 2) de l'élément à alvéole 22 dans le sens radial, comme il est indiqué en 52 sur la fig, 1. On conçoit que toutes les surfaces sphériques des é déments, définissant le joint à rotule 10 selon l'i.nyen- tion, sont concentrées, ce qui revient à dire que la surface ce segmentaire sphérique 28 de l'alvéole, la surface pé riphérique 16 de la demi-billef la surface hémisphérique intérieure 20 de la demi-bille et la surface sphérique périphérique 32 de l'élément rapporté sont concentriques les unes aux autres, La surface hémisphérique intérieure 20 de la demi-bille présente à son bord un biseautage court 54 pour permettre le dégagement nécessaire pour les angulations extrêmes entre la queue 24 et le tenon 12. L'angulation autorisée de la demi-bille 14 par rap-- port à un plan diamétral de l'élément à alvéole 22 est en général limitée par la butée d'une partie de la surface péri phérique du tenon voisine de la demi-bille 14 contre le bord biseauté 56 (fig, 2) de l'élément à alvéole 22 et/ ou par un contact entre la face terminale annulaire 58 de la demi-bille 14 avec une surface annulaire 60 ménagée au-dessous du rebord 42 de l'élément rapporté 30. Un soufflet flexible 62 (f ig 1) protège de la saleté la par- tie périphérique du tenon 12 la plus proche de la demirbil- le 14 et la partie exposée de la surface sphérique périphév rique 16 de la demi-bille, pendant que le joint est au repos ou pendant l'inclinaison du tenon 12 par rapport à la queue 24, Quand, à l'achèvement de l'assemblage des divers composants du joint 10, la bordure 50 (fige 23 de l'élément à alvéole 22 est emboutie sur la garniture élastomère annulaire ou toroedale 46, cette garniture est comprimée et subit une expansion vers l'extérieur pour établir un joint efficace qui empêche la pénétration des saletés à travers l'extrémité ouverte de l'alésage 26 de l'alvéole, En mê.- me temps, la garniture flexible comprimée 46 est amenée à agir à la façon d'un moyen de sollicitation qui exerce une force sur la surface terminale annulaire 48 de l'élément de retenue 30 cette force de sollicitation étant soigneux sement réglée en fonction du degré de cintrage imposé sur la bordure 50 de l'alvéole pendant le forgeage, du rayon de ce cintrage, de la dim,ensiQnr de l forme et des propriétés élastomères du matériau servant à fabriquer la garniture toroSdale ou annulaire 46.La force de sollicitation exerv cée par la garniture élastomère toroïdale ou annulaire comprimée pousse les surfaces sphériques concentriques des divers éléments vers une position de contact les uns avec les autres, ce qui permet d'éliminer les cliquetis, le débattement ou le jeu entre les éléments et on compense aussI automatiquement l'usure par rupture ou à la suite du service nor- mal, Comme il a été précédemment indi,qué! le tenon 12 et la demi-bille 14 sont écrouis et très peu d'usinage ou mê- me aucun usinage n'est nécessaire sur la surface sphérique périphérique 16 de la demi-bille ou sur la surface hemist sphérique concave intérieure 18, De préférence, l'élément à alvéole 22 est une pièce forgée à froid et le seul usinage nécessaire est celui de la portion intérieure de la sur- face ayant une face concave sphérique 20 L'élément rapc porté en forme de cuvette 30 peut être également forgé à froid ou être une pièce massive emboutie.On utilise un faible poids d'acier étant donné que tous les éléments, y compris la demi-bille 14, sont creux et peuvent avoir des parois aussi minces que possible en tenant compte de la charge que le joint devra supporter, On va maintenant se référer à la fig. 3 qui représen- te un autre exemple de structure d'un joint à rotule 11 set lon l'invention et comprend un tenon 12 muni d'une demibille creuse 14, ces deux éléments étant sensiblement ana- logues à ceux qui ont été décrits en détail au sujet des fig. 1 et 2. L'élément à alvéole 22 présente une partie centra* le d'un seul tenant 64, en forme d'une coupole inversée,et comportant une surface périphérique hémisphérique 32 en contact avec la surface hemisphérique concave 18 de la demibille 14 Un élément annulaire rapporté 66 en forme de segment sphérique est retenu dans l'alésage 26 de l'élément à alvéole 22; cet élément rapporté sphérique 66 présente une surface concave sphérique 28 en contact de coullssement avec la surface sphérique pariphérque 16 de la demi-bille 14, L'élément rapporté sphériqu? 66 présente une surface annulaire biseautée 68 en contact avec une garniture elaso tomère annulaire ou toto,i.dale comprimée 46 qui est maintenu nue par compression contre la. surface annulaire biseautée 68 par le bord forgé 52 de l'alésage 26 de l'élément à alvéole.De préférence, l'alésage 26 .de l'élément à alvéole 22 comporte un épaulement annulaire 70 formé en, tre l'alésage 26 de plus grand diamètre et une partie 72 de l'alésage ayant un plus petit diamètre, cet épaulement annulaire 70 participant a la limitation du mouvement autorisé de l'élément rapporté sphérique 66.. La partie de plus petit diamètre 72 de l'alésage peut être légèrement dégagée pour permettre l'introduction de la face terminale annulaire 58 de la demi-bille 14 sans interférence lors de l'angulation extrême du tenon 12 par rapport à la queue 24 de l'élément à alvéole, ou ben cette partie peut présenter une forme sensiblement convexe et sphérique, comme il est représenté.De préférence, mais non obligatoirement, la partie 64 en forme de coupole inversée de l'élément 22 présente une cavité 40' affin d'en réduire le poids et d'en faciliter le forgeage, un raccord à graisse 38 étant com- modément disposé au fond de la cavité 40' en vue d'une protection appropriée dans les structures dans lesquelles on désire prévoir un graissage occasionnel du joint. On remarquera que dans la structure du joint à rotule 11, selon la fig. 3, la précharge exercée par la compression de la garniture toroïdale ou annulaire 46 pousse toutes les surfaces sphériques concentriques vers des positions de contact les unes avec les autres, de sorte qu'on obtient un assemblage relativement serré qui compense automatiquement l'usure des surfaces en contact de coulissement oscillant. On comprend qu'on pourrait utiliser d'autres moyens que la garniture élastomère toroïdale ou annulaire pour pousser les surfaces sphériques vers des positions de contact les unes avec les autres. Un exemple d'une telle variante apparaît sur la fig. 4 qui représente un joint à rotule 10, se- lon l'invention, dont l structure est identique à celle re- présentée sur la fig. 1 sauf que la garniture éla.stoère A- annulaire ou toroïdale a été remplacée par une serte de ron delles élastiques superposées 74 on de ressorts de Belles ville, disposés en compression entre la face annulaire terminale 48 de l'élément rapporté ou de retenue hémisphéri- que 30 et une bague de retenue 76 maintenue en position à l'extrémité ouverte de l'alésage 26 à la suite d'un for geage (comme indiqué en 52) ou par d'autres moyens tels qu'un ajustage à la presse, un vissage ou similaire, Etant donné que la bague de retenue 76 et le ressort de Belleville 74 présentent des ouvertures centrales alignées, respectiVes ment 78 et 80, l'accès au raccord à graisse 38 est ainsi assuré dans les structures ot l'on désire graisser pério- diquement le joint à rotule, Un capuchon antipoussière (non représenté) peut être prévu pour entourer hermétique- ment l'ouverture 78 dans la bague de retenue 76, La fig. 5 représente-une autre modification de la structure selon l'invention, dans laquelle la garniture é- lastomère annulaire ou toroXdale 46 (fig. 1) ou les ressorts du type de Belleville 74 (fig, 4) ont été remplacés par un ressort à boudin 82 installé dans-la cavité 40 de l'été ment rapporté hémisphérique de retenue 30, ledit ressort à boudin 82 étant maintenu sous compression au moyen d'un capuchon de fermeture 84 vissé sur le filetage 86, prévu dans l'alésage 26 de l'élément à alvéole, à une extrémité de celuiwsi. Le joint à rotule 10 qui est représenté sur la fig. 5 est du type lubrifié en permanence ou prélubrifié et,si l'on désire obtenir un ensemble qu'il est impossible de démonter, le capuchon 84 peut être retenu en position par un montage à la presse ou par forgeage au-dessus de l'extrémité ouverte de l'élément à alvéole 22. La fig. 6 représente une structure simplifiée du joint à rotule 10 selon l'inyention, dans laquelle l'élément hé mi sphérique de retenue 30 se présente comme une cuvette relativement mince 90 présentant un rebord tronconique 92 d'un seul tenant dirigé vers l'extérieur. De préf érence, la cuvette 0 et son rebord d'un seul tenant 92 sont emboutis dan une tOle d'acier et la surface ce hémisphérique 32 rient en contact avec la surface hémis- sphérique concave 20 de la demi bille 14, Pendant l'ase semblage du joint 10, la cuvette 90 occupe la position in diquée dans la moitié de droite de la fig, 6, c'està-dire que le rebord 92 vient s'emboîter dans une partie agrandie 94 de l'alésage 26, un gradin annulaire 96 étant interposé entre l'alésage 26 et la partie épanouie 94 de l'ale sage, Après forgeage de la bordure 50 de l'élément à alvéole le 22, comme on peut le voir en 52 dans la moitié de gau che de la fig, 6, la surface inférieure 98 du rebord 92 est obligée à venir en prisse, par un point proche de son bord, avec la surface annulaire 96, pour ainsi aplatir le rebord 92 en lui donnant une forme annulaire sensiblement plane, comme il est indiqué en 100, à la suite de quoi, la surface hémisphérique 32 de la cuvette 90 -vìent fermez ment en prise avec la surface hémisphérique concave corses pondante 20 de l'évidement 18 de la bille, La valeur de la préecharge des surfaces sphériques concentriques en con- tact mutuel est fonction des caractéristiques élastiques ou de flexibilité du matériau utilisé pour emboutir la cuvette 90, de l'épaisseur de la paroi de la cuvette 90 et du rebord 92 et aussi du degré de déflexion du rebord 92 lors de son aplatissement jusqu'à son état sensiblement dans un seul plan qu'on peut voir en 100 pendant le forgeage de la bordure 50 de l'alvéole jusqu'à la forme indiquée en 52, Les joints à rotules selon l'invention offrent sur les joints à rotules hémisphériques classiques l'avantage de pouvoir transmettre une charge considérable depuis le tenon jus- qu'à la queue et vice versa, même avec une angulation importante d'un élément par rapport à l'autre, comme on peut le voir par exemple sur la fig, 7, Avec une angulation extrême, même Si une force peut être appliquée comme on l'indique schématiquement par la flèche F suivant l'axe de la queue 24 et que la zone A de la surface sphérique 28 de l'été ment à alvéole n'est plus en contact avec la surface sphérique périphérique 16 de la. demi-bille 14, la force est transmise à la surface périphérique 44 du rebord 43 de l'élément de retenue 30 où cet élément mixent en prise ayec la surface de l'alésage 26 dans l'élément 22, comme on l'a représenté arbitrairement par la flèche B, et à partir de la surface hémisphérique périphérique 32 de l'élément rapporté 30 jusqu'à la surface hémisphérique concave inté- rieure 18 de la demi-bille 14, comme indiqué arbitrairev ment par les flèches C et D. On conçoit aisément que le joint à rotule 11. de la fig, 3 possède également des caractéristiques de support d'une charge considérable dans une position d'angulation ex- trême, étant donné que la charge appliquée à la queue 24 est transmise directement à l'élément d'un seul tenant en forme de coupole inversée 64. L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation représenté et décrit en détail, car diverses modifia tions peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. VND cA---T IONS 1 - Structure de joint à rotule caractérisée en ce qu'elle comprend un tenon et un élément en forme d'une demab bille à une extrémité du tenon; -une surface sphérique péri-. phérique sur la demi-bille et un évidement dans l'extrémité de la demi-bille présentant une surface hémisphérique sene siblement concave, ladite surface sphérique périphérique et ladite surface hémisphérique concave étant sensiblement con- centriques l'une à l'autre; un élément en forme d'alvéole présentant une surface sphérique concave en contact avec la surface sphérique périphérique de la demi-bille; un élément de retenue en forme de cuvette ayant une surface sphérique périphérique sensiblement hémisphérique concentrique avec ladite surfacé hémisphérique concave dans l'évidement de la demi-bille et en contact avec elle; des moyens de sollicitas tion qui poussent les surfaces sphériques concentriques vers une position de contact -mutuel de coulissement oscillant et des moyens de retenue desdits moyens de sollicitation, 2 - Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de sollicitation appliquent une force di- rectement à l'élément de retenue en forme de cuvette. 3 - structure selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens de sollicitation comprennent un élément annulaire élastomère et en ce que l'élément de retenue pré sente un rebord terminal avec lequel vient en contact ledit élément annulaire élastomère, 4 - Structure selon la revendication 1 caractérisée en ce que les moyens de sollicitation comprennent ledit élé- ment de retenue en forme de cuvette ayant un rebord terminal dirigé vers l'extérieur et des moyens d'application d'une fore ce à ce rebord en vue de le déformer élastiquement, 5 - Structure selon la revendication 1 caractérisée en ce que la surface concave sphérique dans l'élément à alvéole est sous forme d'un segment annulaire séparé et lesdits moyens de sollicitation appliquent une force sur ce seg- ment annulaire pour pousser les surfaces sphériques conceno triques vers une position de contact mutuel, 6 - Structure selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'élément de retenue en forme de cuvette est for- me d'un seul tenant à une extrémité de l'élément à alvéole. 7 ; Structure selon la revendication 1! caractérisée en ce que les moyens de sollicitation sont retenus par forgeage d'une extrémité de l'élément à alvéole 8 - Structure selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'élément annulaire élastomère est maintenu par forgeage d'une extrémité de l'élément à alvéole 9 - Structure selon la revendication 4, caractérisée en ce que le rebord terminal est déformé par forgeage d'une extrémité de l'élément à alvéole 10 - Structure selon la revendication 5t caractérisée en ce que l'élément annulaire élastomère est maintenu par forgeage d'un bord de l'élément à alvéole,