Brevet FR2505947A1 — publié le 19821119

La présente invention concerne un ensemble de portée pour un joint à rotule. Les joints à rotule du type à demi-boule et à douille sont couramment utilisés dans les ensembles de biel- lettes de direction de véhicules, de barres de direction, de barres de tcrsion et organes analogues, nécessitant la trans- mission d'une force d'un organe à un autre tout en permettant à un organe de pivoter par rapport à l'autre. Les joits à rotule du type à demi-boule et à douille com- prennent en général une queue qui se termine par un élément hémisphérique disposé dans une douille pour pouvoir coulisser et pivoter avec un segment sphérique concave de forme corres- pondante formé par la douille Les surfaces de portée en prise mutuelle de la demi-boule et de la douille sont fréquemment sollicitées l'une vers l'autre pour ainsi établir un ensemble relativement serré qui élimine le jeu et le broutage et qui comipense automatiquement l'usure des surfaces de portée. Les inconvénients des joints à demi-boule et douille sont nombreux La capacité de support de charge d'un tel joint est limitée à une zone relativement petite de la surface péri- phérique de la demi-boule en prise avec la surface correspon- dante de la douille Une structure complexe est indispensable pour assurer la pré-charge des surfaces de portée dans des montages dans lesquelles on désire empêcher le broutage et le jeu et aussi pour assurer une compensation automatique de l'en- foncement I de l'usure en cours d'utilisation Le degré d'in- clinaison entre les éléments accouplés par le joint et les cractéristiques de support de charge de l'ensemble sont limi- tés. Le joint qui a fait l'objet de la demande de brevet français N 80 17274 déposée le 5 août 1980 au nom de la Demanderesse permet d'éliminer les inconvénients et les la- cunes de la technique antérieure et dans cette demande, on décrit une structure de joint à rotule qui est un équivalent mécanique d'un joint à rotule classique utilisant une bille entière, mais bénéficiant d'un poids plus faible et permettant ainsi sa construction avec une plus faible quantité de maté- riaux et avec un nombre d'organes plus réduit qu'il ne faut en général pour des joints à rotule destinés à des applications à fortes sollicitations, par exemple pour les tirants de di- rection de camions ou de tracteurs, les barres de direction, les barres de torsion et analogues En outre on obtient un joint à rotule capable d'effectuer des déplacements angulaires importants entre les éléments accouples, présentant un ajus- tage serré entre les surfaces de portée en prise mutuelle, ne comportant aucun jeu et étant à l'abri d'un broutage, et assurant une compensation automatique de l'enfoncement et de l'usure en utilisation. La présente invention réalise ces différents objets au moyen d'une structure de joint à rotule comprenant une queue qui se termine par une tête en forme de demi-boulé creuse dont la surface sphérique périphérique vient en prise avec une surface sphérique concave correspondante de la douille du joint, la demi-boule présentant une cavité concave qui est sensiblement hémisphérique et dans laquelle est engagé un élé ment rapporté flexible ou en élastomère ayant subi une con- trainte au cours de l'assemblage de manière que la surface périphérique de la demi-boule reste en contact de coulissement avec pivotement avec la surface de portée sphérique de la douille On peut également effectuer la pré-contrainte des surfaces de portée en prise mutuelle, outre la précontrainte de l'organe de sollicitation, au moyen d'un élément flexible de retenue au lieu d'un élément rigide de retenue pour main- tenir les diverses pièces en assemblage ou, en variante, à'. l'aide d'un élément de retenue non flexible comportant un organe flexible qui pousse l'élément de retenue dans le sens tendant à augmenter la précontrainte appliquée à l'organe de sollicitation. 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 des- sin annexé Sur les diverses figures du dessin, on a conservé les mêmes références numériques pour désigner des éléments identiques ou équivalents. La fig 1 est une vue de côté avec coupe partielle d'un exemple de réalisation d'un joint à rotule selon l'inven tion. La fig la est une vue analogue à la fig 1, mais montrant les composants en position avant l'assemblage final. Les fig 2 et 2 a sont des vues similaires respec- tivement aux f ig 1 et lamais montrant une variante de réali- sation de l'invention. La fig 3 est une vue analogueàlafig 1 montrant une autre variante de réalisation. Les fig 4 et 4 a sont des vues similaires respective- ment aux fig l et lamais montrant une autre variante de réa- lisation. Les fig 5 et 5 a sont des vues similaires respective- ment aux fig 1 et lamais montrant une autre variante de réalisation. Les fig 6 et 6 a sont des vues similaires respecti- vement aux fig 1 et la,mais montrant une autre variante de réalisation. Dans le mode de réalisation représenté aux fig 1 et la, la structure de joint à rotule 10, selon l'invention, com- prend une queue 12 munie à un bout d'une demi-boule 14 d'un seul tenant à tête écrouie qui présente une surface sphérique périphérique convexe 16 et une cavité ou évidement 18 ayant une surface hémisphérique concave 20 En assemblage, la demi- boule 14 de l'ensemble unitaire de la queue et de la demi-boul est disposée dans une douille 22 comportant une tige 24 fixée à la périphérie de la douille par des moyens appropriés quelconques, par exemple un soudage par frottement, la douille 22 présentant un alésage 26 à partir duquel dépasse la queue 12 La surface sphérique périphérique convexe 16 de la demi- boule 14 vient en contact pour pouvoir glisser avec la par- tie 28 de la surface sphérique concave intérieure de l'alé- sage 26 de la douille 22 et peut pivoter par rapport à cette dernière Un organe de sollicitation 30, en élastomère tel que le néoprène, un copolymère acrylonitrile/butadiène/ styrène (ABS), l'acétal-phénoxypolysulfone, un copolymère styrène/butadiène, une résine d'uréthane ou similaire, com- portant une surface périphérique 32 sensiblement sphérique dont la dimension, après assemblage des éléments (fig 1), est en conformité avec la surface concave hémisphérique 20 de l'évidement 18 dans la demi-boule 14, est installé dans la cavité 18 de manière que la surface concave hémisphérique conforme 20 de la cavité 18 de la demi-boule et la surface sphérique 32 de l'organe de sollicitation 30 soient en con- tact glissant pour pouvoir pivoter l'un par rapport à l'autre. Une cuvette de retenue 34 ayant sensiblement la forme d'un disque et présentant une partie concave centrale hémisphé- rique 36, est disposée en regard de la cavité hémisphérique 18 dans la demi-boule 14 et est maintenue en position, avec un certain jeu comme on le voit en 38, entre un épaulement de la douille 22 et une lèvre 42 formée lorsque la bordure 44 (fig la) de la douille 22 est rabattue par forgeage, de manière que les composants du joint à rotule 10 restent assem- blés comme on peut le voir à la fig 1. Comme on le voit à la fig la, avant le forgeage de la bordure 44 de la douille 22, l'organe de sollicitation 30 présente une forme ellipsoidale qui devient aplatie pour prendre une forme sensiblement sphérique après assemblage et forgeage de la bordure 44 de la douille à la lèvre 42, à la suite de quoi l'organe en élastomère de sollicitation 30 est comprimé ou pré-contraint de façon à exercer une pré-charge dans la direction pour laquelle il pousse fermement la partie sphérique 32 de sa surface dans la cavité 18 de la demi-boule contre la surface hémisphérique convexe 20 En conséquence, la surface partiellement sphérique 16 de la demi-boule 14 est poussée fermement tout en permettant le pivotement contre la surface hémisphérique 28 de la douille 22 Le degré de com- pression de l'organe de sollicitation 30 et par voie de con- séquence, le degré de pré-charge des surfaces de portée du joint à rotule 10, sont déterminés par la distance de dépla- cement de la cuvette de retenue 34 au cours du forgeage et du formage de la lèvre de maintien 42 sur la bordure 44 de la douille 22. Les surfaces de portée en contact mutuel peuvent être pré-lubrifiées avant l'assemblage des divers composants, ou bien en variante et comme il est représenté, la cuvette de retenue 34 peut comporter un graisseur 46 et la surface sphérique 36 de la cuvette de retenue peut présenter des passages pour la graisse sous forme de rainure 48 pour permettre ainsi un réapprovisionne-ment périodique du joint en graisse de lubrification La cuvette de retenue 34 joue le rôle d'un joint efficace d'étanchéité pour retenir la graisse dans le O 10 joint et pour empêcher l'entrée des corps étrangeisdans la douille 22 a partir d'une extrémité de cette douille Un joint à soufflet 50 du type flexible, comme décrit plus en détail dans la demande de brevet français N 82 05855 déposée le avril 1982 au nca de la Demanderesse, joue le rôle d'un élément de rétention de la graisse à l'autre bout de la douille 22 par lequel passe la queue 12 et aussi d'un joint :'étancheité empêchant la pénétration de salissures dans le joint à travers cette extrémité de la douille. La structure du joint à rotule 10 ', selon les fig. 2 et 2 a, est identique à La structure du joint 10 des fig 1 et la sauf que la cavité 18 dans la demi-boule 14 présente une surface inférieure plate 52 en contact avec une surface plate correspondante 54 à un bout de l'organe en élastomère de sollicitation 30 L'organe 30 est d'une forme sensiblement cylindrique dans l'état préalable à l'assemblage final des composants et à la pré-charge (fig 2 a) et il présente une autre surface terminale plate 56 en prise avec une surface plate correspondante 58 sensiblement au centre de la cuvette de retenue 34 Lors de la pré-contrainte et de la compression après l'assemblage final, l'organe de sollicitation 30 dont la forme initiale était sensiblement cylindrique ou légère- ment en forme de fût, prend une forme de fût plus prononcée en raison d'une expansion latérale de manière à remplir sen- siblement la partie superficielle sph 4 rique 20 de l'évidement 18 dans la demi-boule 14. Les fig 2 et 2 a représentent également un système modifié de distribution du lubrifiant à partir des surfaces portantes du joint à rotule, comprenant un canal à graisse 60 formé suivant l'axe longitudinal de l'organe en élastomère de sollicitation 30, ce qui met la sortie du graisseur 46 en communication avec un ou plusieurs passages transversaux de graisse 62 ouverts à une extrémité vers les surfaces de portée sphérique 28 de la douille 22 et 16 de la demi-boule 14 Des rainures 64 sont pratiquées dans la surface plate 52 dans le fond de l'évidement 18 dans la demi-boule 14 pour permettre l'écoulement du lubrifiant depuis la sertie du canal 60 vers les entrées des passages transversaux 62 Un élément mince en forme de disque (non représenté) peut être interposé entre la face terminale plate 54 de l'organe en élastomère 30 et la surface plate 52 de l'évidement. En raison de la forme sensiblement sphérique de l'organe de sollicitation 30 du joint selon la fig 1 dans sa forme pré-contrainte ou comprimée après l'assemblage des com- posants, et du fait que la surface sphérique 32 de l'organe de sollicitation 30 est en prise avec une surface concave sensiblement hémisphérique 20 de l'évidement 18 dans la demi- boule 14, la queue 12 peut pivoter par rapport au logement 22 suivant un degré d'inclinaison autorisé par le mode de cons- truction, sans aucune tendance de retour de la queue 12 à sa position neutre et sans aucune variation du couple résistant en fonction du degré d'inclinaison entre la queue 12 et la tige 24 Cependant le joint 10 ' à la fig 2 est, de par sa cons- truction, sujet à une augmentation (en fonction de l'inclinai- son) du couple résistant s'opposant à l'inclinaison de la queue 12 par rapport à la douille 22 et à la tige 24 du fait que l'organe de sollicitation 30 présentant des faces termi- N 4 les plate 54 et 56, respectivement en contact avec la sur- face plate 52 du fond de l'évidement 18 de la boule et la surface plate 58 de la cuvette de retenue 34, subit un sup- plément de compression lors de l'inclinaison sur un côté qui correspond au sens de pivotement et à une détente sur le côté opposé, de sorte que le couple résistant augmente progressi- vement en fonction de l'angle de pivotement En outre, quand la force qui provoque l'inclinaison est supprimée, la contrainte irrégulière appliquée à l'organe de sollicitation 30 pousse la demi-boule 14 et en conséquence la queue 12 vers la posi- tion neutre de départ ou une position d'équilibre (voir fig. 2). La tendance au retour du joint à sa position neutre d'équilibre peut encore être accentuée, si on le désire, en prévoyant par exemple un organe de sollicitation pré-contraint dont la forme est celle indiquée à la fig 3 Dans la structure représentée à la fig 3, l'organe en élastomère de sollicitation 30 présente une partie sensiblement hémisphé- rique 66 en prise avec la surface concave sensiblement hémis- phérique 20 de l'évidement 18 dans la demi-boule 14, et une partie annulaire 78 entre la cuvette de retenue 34 (ayant une surface intérieure plate 70) et une surface terminabe annulaire 72 qui reste sur la demiboule 14 périphériquement par rapport à l'évidement 18 dans cette dernière Lors de l'assemblage, quand la lèvre 42 de la cuvette de retenue est soumise au forgeage, ce qui a pour effet de pousser la cuvette 34 dans le sens provoquant la compression de pré-charge de l'organe de sollicitation 30, la partie annulaire 68 de l'organe de solli- citation 30 peut rester non comprimée ou peut être légèrement comprimée ou encore comprimée à tout degré désiré On conçoit que l'organe de sollicitation 30, dans son état non comprimé de détente, peut être façonné de manière que la compression de pré-charge de sa partie sphérique 66 soit la même que la com- pression de sa partie annulaire 68 ou, au contraire, différent de cette dernière Par exemple, le degré de la compression de pré-charge de la partie annulaire 68 de l'organe de sollicita- tion 30 peut être inférieur à la compression de pré-charge de la partie sphérique 66 (ou même nul) ou peut être égal ou su- périeur à ladite compression Cependant, lorsque la queue 12 pivote par rapport à la douille 22, la partie annulaire 68 de l'organe de sollicitation subit un surcroit de compression si bien que le mouvement d'inclinaison provoque le rapprochement de la surface terminale annulaire 72 de la demi-boule 14 de la surface 70 de la cuvette 34, à la suite de quoi le couple ré- sistant qui s'oppose à l'inclinaison augmente fortement en fonction de l'inclinaison et aussi la compression supplémen- taire irrégulière de la partie annulaire 68 de l'organe de sollicitation tend fortement à rappeler la queue 12 à sa posi- tion neutre d'équilibre, par exemple la position indiquée à la fig 3. A la fig 4, un joint à rotule 10 a selon une autre forme de réalisation comprend un organe rapporté de sollicita- tion 30 en un matériau non compressible mais élastique tel que le nylon, le vinyle, le polyuréthane, etc, comportant un rebord 74 élastiquement déformable dont une bordure 76 est en con- tact avec la face terminale annulaire 72 de la demi-boule 14. La cuvette de retenue 34 est, de préférence, au moins légère- ment flexible si bien que lorsque le rebord terminal 44 de la douille 22 (fig la) est forgé pour former la lèvre 42, au moins une légère action de sollicitation est tranférée à partir de la cuvette légèrement déformée 32 à l'organe rapporté de sollicitation 30 pour pousser sa surface périphérique sensi- blement hémisphérique 66, vers une position de prise avec la surface concave hémisphérique 20 de l'évidement 18 dans la demi-boule Dans la structure représentée à la fig 4, cepen- dant la plus grande partie de la force de pré-charge s'exerçant sur la boule 14 est fournie par le bord 76 du rebord rapporté de sollicitation 72 qui a été élastiquement déformé pendant l'assemblage du joint On conçoit aisément que dans une telle structure (comme on peut le voir à la fig 4) une étude minu- tieuse de la forme géométrique de l'organe de sollicitation , l'épaisseur du rebord annulaire d'un seul tenant 74, le diamètre de ce rebord, le degré de cintrage du rebord avant son installation, le choix minutieux des matériaux servant à la fabrication de l'organe de sollicitation 30 ainsi que la flexibilité de la cuvette de retenue 34 et sa déformation pendant l'assemblage, sont tous des facteurs importants qui déterminent la pré-charge des surfaces de portée de pivote- ment et la force qu'il y a lieu d'exercer pour incliner le joint. La fig 4 a représente l'aspect général d'un organe rappcrté de sollicitation non compressible 30 muni d'un rebord hautement flexible 74 et l'aspect d'une cuvette de retenue fortement emboutie et très flexible 34 avant l'assemblage par forgeage de la bordure 44 de la douille 22 Après forgeage de la bordure 44 de la douille 22, l'aspect général de l'en- semble est sensiblement tel qu'on le voit à la fig 4. La structure du joint à rotule 10 'a à la fig 5 est identique à la structure représentée à la fig 2, c'est-à-dire que le joint à rotule est muni d'un organe rapporté de solli- citation 30 en un matériau compressible en élastomère mais, en outre, les composants sont maintenus assemblés par une cu- vette de retenue élastiquement déformable 34 qui subit une déformation élastique pendant le forgeage de la bordure 44 (fig 5 a) de la douille 22 pour constituer la lèvre de rete- nue 42 {fig 5) De cette façon, la capacité de rattrapage de la pré-charge et de l'usure du joint est assurée partiellement par l'organe en élastomère comprimé de sollicitation 30 et partiellement par la cuvette de retenue élastiquement déformée 34. Des moyens autres que la cuvette élastiquement dé- formable peuvent servir pour assurer une partie de la capacité de rattrapage de la pré-charge et de l'usure par le joint à rotule selon l'invention Par exemple, une bague en élasto- mère comprimée entre la lèvre forgée 42 et la surface infé- rieure (voir le dessin) de la cuvette 34 à proximité de son bord ou (voir les fig 6 et 6 a) d'un ressort annulaire embou- ti 80 (fig 6 a) qui est élastiquement déformé pour prendre une forme sensiblement plate (fig 6) pendant le forgeage de la bordure 44 de la douille 22 pour former la lèvre 42. il va de soi qu'on peut apporter diverses modifica- tions aux modes de réalisation qui ont été décrits sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Structure de joint à rotule, caractérisée en ce qu'elle comprend une queue et un élément en forme de demi- boule formé d'un seul'tenant à une extrémité de ladite queue; une surface sphérique périphérique convexe sur la demi-boule; une cavité dans l'extrémité de la demi-boule à l'opposé de ladite queue; une douille présentant une surface sphérique concave en contact avec la surface sphérique convexe périphé- rique de la demi-boule, ladite queue faisant saillie à travers une extrémité de ladite douille; une cuvette de retenue sen- siblement en forme de disque qui obture l'autre extrémité de la douille; et un organe rapporté de sollicitation disposé entre demi-boule et la cuvette de retenue, ledit organe de sollicitation ayant une extrémité engagée dans la cavité de la demi-boule et une autre extrémité en contact avec la cu- vette de retenue, ledit organe rapporté de sollicitation pou- vant appliquer une force de pré-charge à la demi-boule pour pousser mutuellement les surfaces sphériques en contact glis- sant de pivotement. 2 Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'organe rapporté de sollicitation est fabriqué en un matériau en élastomère déformé de façon compressible entre la demi-boule et la cuvette de retenue. 3 Structure selon la revendication 2, caractérisée en ce que la cuvette de retenue est sensiblement rigide. 4 Structure selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'organe rapporté de sollicitation présente une par- tie annulaire entre la cuvette de retenue et une surface an- nulaire qui entoure la cavité dans la demi-boule. Structure selon la revendication 2, caractérisée en ce que la cavité de retenue est déformée de façon relative- ment élastique pour pousser l'organe rapporté de sollicitation dans une direction qui oblige les surfaces sphériques à venir en contact glissant de pivotement. 6 Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'organe rapporté de sollicitation est construit en un mtériau non ompressible et présente une partie sphérique engagée dans l'évidement prévu dans la demi-boule, ledit évidement pré- sentant une forme hémisphérique conforme, et une bordure d'un seul tenant dirigée vers l'extérieur à partir de l'or- gane rapporté et dont un bord est en contact élastique avec une surface annulaire entourant l'évidement dans la demi- boule. 7 Structure selon la revendication 6, caractérisée en ce que la cuvette de retenue est sensiblement rigide. 8 Structure selon la revendication 6, caractérisée en ce que la cuvette est déformée de façon flexible pour appliquer à l'organe de sollicitation une force qui oblige lei surfaces sphériques à venir en contact glissant de pivotement 9 Structure selon la revendication 2, caractérisé entre cette demi-boule et la cuvette de retenue. Structure selon la revendication 2, caractéri- sée en ce que l'organe en élastomère de sollicitation est sensiblement cylindrique et présente des faces terminales sensiblement plates, une face terminale étant en contact avec une surface plate dans le fond de l'évidement alors que l'autre face est en contact avec la surface intérieure de la cuvette de retenue quand l'organe de sollicitation est com- primé entre la demi-boule et la cuvette de retenue. 11 Structure selon la revendication 1, caractéri- sée en ce qu'elle comprend en outre un graisseur disposé sensiblement au centre de la cuvette de retenue pour remplir de graisse ledit joint à rotule. 12 Structure selon la revendication 11, caractéri- sée en ce qu'elle comprend également des passages à graisse depuis la sortie du graisseur jusqu'aux surfaces de portée en contact glissant de pivotement. 13 Structure selon la revendication 12, caractéri- sée en ce que l'un des passages à graisse est un canal tra- versant l'organe rapporté de sollicitation. 14 Structure selon l'une des revendications 3, 5 et 7 à 13, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens de sollicitation appliqués à la cuvette pour créer une force de pré-charge supplémentaire.