Brevet FR2523673A1 — publié le 19830923

L'invention concerne les joints universels du type Cardan qui, comme cela est connu, comprennent des croisillons comportant des tourillons cylindriques faisant saillie radialement et destinés à être reliés à des fourches dépassant de paires d'éléments rotatifs. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif perfectionné de lubrification de l'interface tourillon- fourche, ainsi qu'un procédé de fabrication de ce dispo- sitif. Les tourillons de tels joints sont généralement montés dans des roulements à aiguilles qui sont eux-mêmes montés dans des bagues d'appui en forme de coupelle ajus- tées à frottement dans des fourches correspondantes Chaque bague contient un anneau de telles aiguilles d'appui, interposées physiquement entre la surface périphérique intérieure de la bague et un tourillon associé afin qu'un mouvement pratiquement sans frottement puisse avoir lieu entre le tourillon et la bague du roulement. Les tourillons antérieurs sont rectifiés à des degrés de finition et de polissage élevés afin d'établir un contact de roulement avec des paliers à aiguilles. De tels systèmes de paliers, désignés globalement comme paliers antifrottement, présentent des surfaces très lisses qui ne réalisent pas de façon satisfaisante une circulation d'huile forcée lors des mouvements oscil- lants ou vibratoires limités du type se produisant dans le fonctionnement de joints universels Ainsi qu'il est évident à l'homme de l'art, la lubrification appropriée de paliers anti-frottement tend à dépendre d'un mouvement de rotation continu des éléments d'appui Etant donné que les paliers associés aux joints universels n'effectuent que des rotations partielles, l'huile circule moins qu'il n'est souhaitable, ce qui a pour résultat un comportement relativement insatisfaisant du joint De plus, dans des milieux salissants et/ou corrosifs, le manque d'une lubrification suffisante devient extrêmement critique et peut souvent provoquer une défaillance prématurée des tourillons Dans des mileux chargés d'humidité et/ou corrosifs, il peut également se produire un grippage accentuant davantage l'usure et accélérant ainsi la dété- rioration de l'interface entre le palier et le tourillon. L'invention concerne un dispositif perfectionné de lubrification destiné à des systèmes à paliers et tourillons anti-frottement, du type ayant normalement des profils lisses et/ou rectifias, utilisés dans des joints univer- sels Plusieurs portées et gorges de lubrification, rapprochées et/ou très faiblement espacées sont disposées circonférentiellement autour de chaque tourillon, les portées établissant des surfaces de contact pour des roule- ments à aiguilles, et les gorges permettant de retenir un lubrifiant entre les surfaces des roulements et des tourillons Dans une forme préférée de réalisation, les portées et les gorges sont espacées uniformément et de façon alternée et sont orientées dans des plans sensible- ment perpendiculaires aux axes longitudinaux des touril- lons Dans une autre forme préférée de réalisation, les portées et les gorges présentent, en partie, des discon- tinuités aléatoires sur la circonférence de chaque tou- rillon. Un procédé préféré de fabrication des tourillons perfectionnés de croisillon selon l'invention comprennent les étapes d'usinage et de traitement thermique, sans l'étape typique, intermédiaire ou finale, de rectifica- tion Un autre procédé préféré comprend une opération de brunissage au rouleau des portées des tourillons avant le traitement thermique. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limita- tifs et sur lesquels: la figure 1 est une vue en plan, avec coupe partielle, d'un croisillon de joint universel comportant les tourillons perfectionnés selon l'invention, cette vue montrant également des roulements à aiguilles et les bagues qui leur sont associées; la figure 2 est une élévation partielle d'une forme préférée de réalisation du tourillon perfectionné selon l'invention; la figure 3 est une élévation partielle d'une autre forme préférée de réalisation du tourillon perfection- né selon l'invention; la figure 4 est une coupe longitudinale par- tielle d'un détail de gorges et de portées d'une forme préférée de réalisation du tourillon selon l'invention; la figure 5 est une coupe longitudinale par- tielle d'un détail de gorges ou de portées d'une autre forme préférée de réalisation du tourillon selon l'inven- tion; la figure 6 est une coupe transversale partielle de l'interface entre un tourillon et un roulement à ai- guilles d'un joint universel de l'art antérieur; la figure 7 est une coupe transversale par- tielle analogue à celle de la figure 6, montrant la même- interface d'un joint universel comportant le tourillon perfectionné selon l'invention; et la figure 8 est une vue en plan du croisillon selon l'invention dans une forme préférée de réalisation dans laquelle les portées et les gorges présentent des discontinuités partielles et aléatoires sur la circonfé- rence des tourillons. La figure 1 représente un croisillon 10 du type utilisé dans un joint universel (non représenté) Dans la forme préférée de réalisation telle que décrite dans le présent mémoire, le croisillon 10 comporte quatre tourillons perfectionnés 14 qui s'étendent radialement vers l'extérieur suivant des axes longitudinaux A-A ou B-B, à partir d'un corps central 12 Chaque tourillon 14 est logé dans un palier 16 à roulement à aiguilles compre- nant plusieurs aiguilles 24 de roulement logées dans une bague 22 en forme de coupelle Le cylindre de chaque tourillon 14 comporte un tronçon extrême 18 qui bute et glisse contre une surface complémentaire 20 de butée située à l'intérieur de chaque bague 22 de palier Les aiguilles 24 peuvent tourner librement dans une cavité 8 de palier, définie par un espace annulaire compris entre la surface cylindrique intérieure de la bague 22 et la surface cylindrique extérieure du tourillon 14 Une bague 26 de frottement en élastomère est montée dans chaque bague 22 de palier afin d'assurer un positionnement radial convenable des aiguilles 24 d'appui, ainsi qu'il est bien connu de l'homme de l'art Des joints annulaires 28 en élastomère sont destinés à protéger les paliers de la crasse extérieure et d'autres impuretés Les joints 28 aident également à retenir un lubrifiant à l'intérieur de la cavité 8 du palier. La figure 2 est une vue partielle d'une forme préférée de réalisation du tourillon perfectionné 14 du croisillon 10 Le tourillon 14 comporte des portées 30 et des gorges 32 qui alternent les unes avec les autres et qui sont espacées les unes des autres afin de mieux retenir l'huile sur la surface cylindrique du tourillon 14. Les portées 30 et les gorges 32 sont notamment identifiées par des lettres A, B, C et D ajoutées aux références numé- riques sur les figures 2, 3, 4 et 5, respectivement, uni- quement à des fins de clarté Les figures 4 et 5 montrent plus particulièrement deux formes préférées de réalisation des portées 30 et des gorges 32, respectivement Dans ces deux formes de réalisation, les gorges 32 constituent des canaux ou des rigoles permettant l'écoulement de l'huile pour la lubrification des portées 30 du tourillon et des aiguilles 24 de palier qui roulent sur ces portées, tandis que lesdites portées 30 constituent les surfaces réelles de contact de roulement et d'appui entre le tourillon 14 et les aiguilles 24 du palier Les gorges 32 de la figure 4 représentent une forme de réalisation produite au moyen d'une machine-outil, par exemple au moyen d'un tour ou d'une fraiseuse La gorge 32 de la figure 5 correspond cependant à une forme de réalisation réalisée également au moyen d'un tel outil, mais soumise ensuite à une opéra- tion de brunissage au rouleau afin de former sur chaque bord de la gorge 32 une saillie 29 qui s'étend légèrement au-dessus du fond 27 de la gorge. Il apparait à l'homme de l'art que les aiguilles 24 de roulement ne parcourent pas la totalité de la surface périphérique du tourillon dans le milieu dans lequel un joint universel est utilisé En se référant à la figure 6, on peut voir, par exemple, que l'aiguille 24 de palier telle que représentée se déplace de la position indiquée en 34 à celle indiquée en 36 et revient en 34, en exécutant un mouvement oscillant qui se produit donc sur une surface tout à fait localisée du tourillon 14 Sous l'effet d'un tel mouvement, si les surfaces complémentaires sont lisses, par exemple si elles ont été finement rectifiées, le lubri- fiant 38 tend à être refoulé vers l'extérieur du trajet compris entre les points 34 et 36, ce qui a pour résultat la formation entre ces points d'une zone de contact qui tend à être privée de lubrification Par contre, il est bien connu que dans la plupart des applications de palier du type à roulement anti-frottement, un rouleau ou une aiguille 24 effectue des tours complets par rapport à un élément 14, de sorte qu'une vague 38 d'huile se déplace de façon continue sur le pourtour de l'élément circulaire 14 En conséquence, les surfaces finement rectifiées pré- sentent dans la plupart des éléments dans lesquels sont utilisés des roulements anti-frottement ne sont pas sujettes à des problèmes dus à des manques localisés de l'huile de lubrification. Etant donné que l'invention concerne la réalisation d'une lubrification appropriée dans le cas d'un mouvement oscillatoire ou vibratoire, on voit sur les figures 2 et 3, qui représentent les formes préférées de réalisation de l'invention, que les portées 30 définis- sent les surfaces de contact de roulement pour les aiguilles du palier, et que les portées 30 et les gorges 32 sont toutes orientées dans des plans qui sont à peu près per- pendiculaires aux axes des tourillons 14 Sur la figure 2, les portées et les gorges 30 et 32, respectivement, suivent des trajets annulaires individuels autour de chaque corps cylindrique de tourillon Cependant, dans la forme de réalisation de la figure 3, les portées et les gorges suivent des trajets hélicoïdaux autour des tourillons cylindriques 14 Dans les deux cas, les formes préférées de réalisation de chaque portée et de chaque gorge sont telles que chaque portée est équidistante des portées immédiatement adjacentes et chaque gorge est équidistante des gorges immédiatement adjacentes. En se référant à présent à la figure 7, on peut apprécier de façon plus complète l'améliqration sensible de la lubrification de la zone de contact entre le tou- rillon 14 et les aiguilles 24 de roulement, cette zone étant comprise entre les points 34 et 36 de l'oscillation et l'amélioration étant due à la présence des gorges 32. Ainsi, sur la figure 7, le lubrifiant 38 n'est pas éliminé du trajet de contact compris entre les points 34 et 36, mais il est plutôt retenu dans les gorges 32, entre ces derniers points de contact La profondeur des gorges 32 est représentée par l'espace compris entre le fond de la gorge 32, indiqué par un arc 40, et le sommet de la portée , indiqué par un arc 42 Par contre, les zones de contact cylindriques, finement 'olies, entre le tourillon 14 et le rouleau 24, dans l'interface de l'art antérieur, montré sur la figure 6, sont à l'origine de la tendance du lubrifiant à être éliminé du trajet de contact;entre les points 34 et 36, le long de l'arc 41 de contact fine- ment poli du tourillon 14. Un procédé préféré de réalisation des portées et des gorges 32 du tourillon comprend un usinage grossier, puis un traitement thermique des tourillons, sans opération intermédiaire ou finale de meulage et/ou de polissage Les croisillons sont généralement des pièces métalliques forgées mais, en variante, ils peuvent être constitués de pièces métalliques moulées, ainsi qu'il est bien connu de l'homme de l'art L'usinage est de préfé- rence réalisé à des vitesses de coupe de l'ordre de 400 à 600 tr/min Les vitesses d'avance de l'outil d'usi- nage sont de préférence comprises entre 0,38 et 0,50 mm par tour Les profondeurs préférées de coupe sont comprises entre 1,5 et 2,3 mm. Une opération d'usinage effectuée aux vitesses d'avance et aux profondeurs de coupe préférées, telles qu'indiquées ci-dessus, permet d'obtenir efficacement une surface grossièrement tournée sur un tourillon métalli- que typique, ainsi que l'homme de l'art peut l'apprécier. Dans la forme de réalisation hélicoïdale de la figure 3, une telle surface peut être obtenue par un contact constant de l'outil sur toute la longueur de l'axe longitudinal du corps du tourillon La caractéristique des paramètres d'usinage préférés est une tendance de l'outil à couper de temps à autre les portées 30 et les gorges 32 d'une manière partiellement et aléatoirement discontinue, sur la circonférence de chaque tourillon, donnant ainsi l'aspect tel que montré sur la figure 8 Cependant, les discontinuités produites ne nuisent pas à la lubrification perfectionnée de l'invention A ce stade, comme mentionné précédemment en regard de la figure 5, une opération facultative de brunissage au rouleau peut être exécutée au moyen d'un élément de roulement qui pénètre dans la surface des portées, de préférence à une profondeur de l'ordre de 0,125 à 0,25 mm. L'étape préférée de traitement thermique comprend une carburation des tourillons dans une atmosphère d'azote à une température d'environ 900 à 9550 C, puis une trempe des tourillons dans l'huile. L'invention telle que décrite dans le présent mémoire permet d'obtenir un moyen sensiblement perfectionné de lubrification des tourillons et des roulements à ai- guilles associées, destinés à être utilisés dans des joints universels. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au joint universel décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention Des avan- tages autres que la retenue d'huile sur la surface des tourillons peuvent apparaître Par exemple, les gorges annulaires peuvent également retenir des particules corrosives et d'autres débris afin de les empêcher d'atteindre les surfaces en contact Dans le cas contraire, de telles particules produiraient des effets destructeurs dus à leur présence à l'interface de contact des éléments de roulement De plus, par exemple, les portées et les gorges peuvent, en variante, être réalisées sur la surface cylindrique intérieure de la-bague 22 du roulement. REVENDICATIONS 1 Joint universel comportant un croisillon ( 10) qui comprend des tourillons cylindriques ( 14) faisant saillie radialement, chaque tourillon présentant un axe longitudinal, deux éléments tournants comportant des fourches destinées à s'articuler sur les tourillons, chaque fourche délimitant une cavité annulaire destinée à recevoir l'un des tourillons et plusieurs roulements ( 16) à aiguilles étant disposés entre chaque fourche et le tourillon correspondant, le joint universel étant caractérisé en ce que chaque tourillon présente à sa cir- conférence plusieurs portées ( 30) et plusieurs gorges de lubrification ( 32) espacées de façon alternée, les gorges étant disposées de façon à communiquer par roule- ment avec les aiguilles des roulements pour en assurer la lubrification, les portées présentant des surfaces de contact de roulement pour les aiguilles, les gorges et les portées étant orientées dans des plans sensible- ment perpendiculaires à l'axe longitudinal de chaque tourillon. 2 Joint universel selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque portée est équidistante des portées immédiatement adjacentes et en ce que chaque gorge est équidistante des gorges immédiatement adjacentes. 3 Joint universel selon la revendication 2, caractérisé en ce que les portées et les gorges suivent des trajets hélicoïdaux autour de chaque tourillon cylindrique. 4 Joint universel selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune des portées et des gorges suit un trajet annulaire distinct autour de chaque tou- rillon cylindrique. Joint universel selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les gorges et les portées sont interrompues de façon partielle et aléatoire sur la circonférence de chaque tourillon. 6 Croisillon de joint universel, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs tourillons cylindriques ( 14), faisant saillie radialement et disposés de façon à être enclenchés avec des fourches de deux éléments rotatifs, chaque tourillon présentant plusieurs portées ( 30) et gorges ( 32) espacées radialement et circonférentiellement sur sa surface. 7 Croisillon selon la revendication 6, caracté- risé en ce que chacune des portées et gorges est équi- distante de la portée ou de la gorge immédiatement adjacente. 8 Croisillon selon la revendication 7, caracté- risé en ce que les portées et les gorges suivent des trajets hélicoldaux autour de chaque tourillon cylindrique. 9 Croisillon selon la revendication 7, caracté- risé en ce que chacune des portées et des gorges suit un trajet annulaire distinct autour de chaque tourillon cylindrique. Croisillon selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que les portées et les gorges sont discontinues de façon partielle et aléatoire sur la circonférence de chaque tourillon. 11 Procédé de fabrication d'un croisillon( 10) de joint universel, ce croisillon comportant des tou- rillons cylindriques ( 14) qui font saillie radialement et qui sont disposés de façon à s'enclencher avec des fourches de deux éléments rotatifs, chaque tourillon présentant plusieurs portées ( 30) et gorges ( 32) espacées radialement sur sa circonférence, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à usiner les portées et les gorges dans les tourillons, et à soumettre ces derniers à un traitement thermique. 12 Procédé selon la revendication 11, caracté- risé en ce qu'il consiste en outre à soumettre les portées des tourillons à un brunissage au rouleau avant le trai- tement thermique desdits tourillons. 13 Procédé selon l'une des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que l'usinage s'effectue à des vitesses de coupe de l'ordre de 400 à 600 tr/min et à des vitesses d'avance de l'ordre de 0,38 à 0,50 mm par tour. 14 Procédé selon la revendication 13, caracté- risé en ce qu'il consiste en outre à utiliser une pro- fondeur de coupe d'usinage de l'ordre de 1,5 à 2,3 mm et à effectuer le brunissage au rouleau à l'aide d'un élément de roulement pénétrant dans la surface des portées, à une profondeur de l'ordre de 0,125 à 0,25 mm. Procédé selon la revendication 14, caracté- risé en ce que le traitement thermique consiste à soumettre les tourillons à une carburation dans une atmosphère comprenant un gaz azoté, à une température de l'ordre de 900 à 9550 C, puis à tremper les tourillons dans l'huile. 16 Elément de palier de joint universel pré- sentant un axe, caractérisé en ce qu'il présente plusieurs portées ( 30) et gorges ( 32) espacées de façon alternée et disposées à peu près perpendiculairement à l'axe. 17 Procédé de finition d'une surface de palier d'un élément de joint universel, caractérisé en ce qu'il consiste à usiner grossièrement ladite surface et à finir par un traitement thermique la surface grossièrement usinée. 18 Procédé selon la revendication 17, caracté- risé en ce qu'il consiste en outre à soumettre la surface de palier à un brunissage au rouleau avant le traitement thermique. 19 Procédé selon l'une des revendications 17 et 18, caractérisé en ce que l'usinage s'effectue à des vitesses de coupe de l'ordre de 400 à 600 tr/min et des vitesses d'avance de l'ordre de 0, 38 à 0,50 mm par tour. 20 Procédé selon la revendication 18, caracté- risé en ce qu'il consiste en outre à utiliser une profon- deur de coupe d'usinage de l'ordre de 1,5 à 2,3 mm et à réaliser le brunissage au rouleau au moyen d'un élément de roulement pénétrant dans la surface à une profondeur de 0,125 à 0,25 mm. 21 Procédé selon la revendication 20, caracté- risé en ce que le traitement thermique consiste en une carburation de ladite surface dans une atmosphère constituée d'un gaz azoté, à une température de l'ordre de 900 à 9550 C, puis en une trempe de cette surface dans l'huile.