Brevet FR2520273A1 — publié le 19830729

PROCEDE ET DISPOSITIF DE FABRICATION D'UNE CREMAILLERE La présente invention concerne un procédé et un dispositif de fabrica- tion d'une crémaillère, notamment d'une crémaillère à démultiplication variable, dans lequel les dents de la crémaillère présentent, dans sa zone centrale, un profil différent de celui de ses extrémités. La demande de brevet allemande publiée après examen no 21 41 205 décrit une direction de véhicule comportant une crémaillère à démultiplication variable, dont les dents présentent, dans leur zone centrale, un profil différent de celui des zones extrêmes Une direction comportant une tel- le crémaillère peut être avantageusement utilisée sur une voiture de tourisme équipée ou non d'une direction assistée, la démultiplication -étant de préférence de l'ordre de 2 à 1 pour assurer un comportement op- timal de la direction En outre, la démultiplication de la zone centrale de la crémaillère doit de préférence se modifier rapidement vers les bords jusque dans une zone o elle reste constante Une telle crémail- lère coopère avec un pignon pourvu de dents hélicoïdales et dont l'axe forme un angle de 900 par rapport à l'axe de la crémaillère Dans la zone centrale de la crémaillère, les flans des dents forment un angle variable avec l'axe du pignon Cet agencement permet d'obtenir sans pro- blèmes des démultiplications de rapport 2 à 1. Dans cette demande de brevet, on propose de réaliser la crémaillère par un procédé de formage continu et d'usiner individuellement un petit nom- bre de dents disposées dans la zone centrale de cette crémaillère Les profils des dents centrales devraient être usinés spécialement au cours d'une phase du processus de fabrication Un inconvénient majeur d'un tel processus de fabrication résulte du fait qu'une telle crémaillère coûte trop cher à la fabrication, de sorte qu'un tel processus de fa- bricatioh n'est pas réalisable pour des raisons économiques. C'est pourquoi la présente invention se propose de réaliser un procédé et un dispositif pour fabriquer une crémaillère telle que susmention- née, cette crémaillère pouvant être fabriquée en série avec grande pré- cision et de manière particulièrement économique. -2- Dans ce but, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que la crémaillère est réalisée par estampage à froid à partir d'une ébauche au moyen d'une presse comportant une matrice supérieure et une matrice inférieure, et en ce que la matrice effectue un mouvement oscillant pen- dane le processus d'estampage. Un tel processus de matriçage et d'estampage à froid, au moyen d'une ma- trice oscillante, présente de multiples avantages par rapport à un usi- nage mécanique En particulier, on notera que le temps de fabrication est réduit, que la quantité de matière utilisée est inférieure et que l'on aboutit à une résistance, une qualité de surface et une précision supérieures. Les dispositifs pour le matriçage à froid, comportant une matrice oscil- lante, sont déjà connus en soi pour la fabrication de différentes piè- ces mécaniques, le domaine d'application étant toutefois jusqu'à pré- sent réservé à la fabrication de petites pièces aisément déformables, du fait que la puissance des presses était réduite pour des raisons d'encombrement et à cause du mécanisme d'entraînement nécessaire pour engendrer le mouvement oscillant. Le procédé selon l'invention est particulièrement approprié à la fabri- cation de crémaillères en grande série, étant donné que ce procédé per- met une fabrication rapide et économique L'augmentation de la résis- tance du matériau est particulièrement avantageuse du fait qu'elle dimi- nue l'usure des dents de la crémaillère soumises à des forces importan- tes En outre, elle permet d'accroître la précision de la direction On a constaté une augmentation de la résistance des zones de surface de l'ordre de 50 %. L'ébauche peut être constituée d'une simple barre ou tige cylindrique. Toutefois, d'autres formes pourraient également être utilisées On no- tera çependant* que les barres cylindriques constituent une matière pre- mière courante et économique Selon une forme de réalisation particuliè- rement avantageuse, l'ébauche présente un coude disposé latéralement par * rapport à la zone centrale cannelée ou dentée Grâce à cette mesure, les dents et les tronçons d'extrémité sont disposés dans un même plan 2520 Ä 73 -3- de symétrie après l'application du processus d'estampage Il-en résulte que le boîtier de direction peut conserver un encombrement réduit du fait que l'entr'axe peut être faible Si la crémaillère est conçue pour des barres de connexion latérales, l'ébauche est de préférence coudée à ses deux extrémités Pour une direction à entraînement central, les dents de la crémaillère sont formées jusqu'à une de ses extrémités, l'autre extrémité étant seule coudée. Le procédé selon l'invention est particulièrement approprié pour la réa- lisation d'une crémaillère à démultiplication variable, mais peut éga- lement être appliqué à la fabrication d'une crémaillère normale. Selon une forme de réalisation, une des matrices' comporte l'empreinte négative de la partie inférieure de la crémaillère et l'autre matrice comporte en négatif le profil des dents de cette crémaillère La matrice portant le profil denté peut être la matrice supérieure agencée pour su- bir un mouvement oscillant De cette manière, le profil denté peut être estampé dans l'ébauche avec une grande précision et sous application d'une force réduite. Selon une autre forme de réalisation, la matrice, destinée à estamper la partie inférieure de la crémaillère, est agencée pour former une nervure centrale disposée axialement sensiblement dans le plan de symétrie ver- tical de la crémaillère et s'étendant sous la zone dentée. Cette mesure engendre une augmentation sensible de la résistance à la flexion de la crémaillère et assure un bon guidage de cette crémaillère qui reste constamment en appui contre le pignon de la direction La pièce de guidage est logée dans la boite de direction et est poussée contre la crémaillère au moyen d'un ressort de compression. Les matrices sont de préférence conçues de telle manière que la section droite de la crémaillère présente un profil en Y. Cette forme de crémaillère est en principe déjà connuepar la demande de brevet allemand n O 26 58 786 publiée avant examen Cette forme permet de rapprocher le poussoir de la crémaillère. -4 - Une forme de réalisation particulièrement avantageuse de la matrice des- tinée à former le profil denté consiste à ménager des évidements dans la surface d'estampage orientée vers l'ébauche, la crête des dents en négatif ménagée dans cette surface étant au plus à fleur de la surface de matriçage. Habituellement, lors du matriçage ou de l'estampage de pièces, les ca- vités et les protubérances sont conçues de telle manière que les formes négatives dépassent la surface de matriçage Dans le présent cas, les dents, destinées à former les évidements entre les dents de la crémail- lère, sont façonnées de manière à ne pas dépasser la surface de matri- çage. Grâce à cette mesure, lors de l'estampage accompagné du mouvement oscil- lant, les dents de la crémaillère sont repoussées dans les évidements ménagés entre les dents de la matrice Du fait que la dent arrive à un niveau inférieur ou égal à celui de la surface de matriçage, les dents de la crémaillère ne peuvent pas être déformées latéralement par fluage à froid lors du matriçage accompagné du mouvement oscillant De cette manière, on obtient un profil propre sur les faces latérales de la cré- maillère En fait, contrairement aux résultats que l'on obtient avec les procédés de matriçage usuels, la pièce ne présente aucune bavure laté- rale Le processus assure une sorte de freinage ou de barrière au flua- ge de la matière et permet d'obtenir une meilleure compression de cette matière. On obtient encore un meilleur résultat lorsque les crêtes des dents né- gatives de la matrice sont en-dessous de la surface d'estampage Un à deux millimètres de dénivellation suffisent Grâce à cette réalisation, les bords des dents de la matrice sont solidaires du corps de cette ma- trice; de ce fait ces dents sont reliées latéralement au corps de cette matrice Ceci permet d'obtenir une denture plus stable de la crémaillère étant donné que-ces dents sont elles-mêmes reliées latéralement au corps de cette crémaillère. Un autre avantage de cette réalisation est dû au fait que la durée de l'opération de la matrice oscillante est augmentée, du fait que cette -5- matrice est plus stable. Un avantage complémentaire très important de cet agencement des crêtes des dents négatives est dû à l'obtention de nervures latérales longeant la zone dentée Lors du processus d'estampage, une partie de la matière de l'ébauche est évacuée latéralement Cette matière est mise en forme de nervures latérales Ceci permet d'atteindre un accroissement du cou- ple de résistance de la crémaillère à cet emplacement. Le dispositif de mise en oeuvre du procédé ci-dessus comporte de préfé- rence une presse dont la matrice supérieure est reliée à une cloche par un téton, ce téton étant logé dans une douille excentrique qui est elle- même montée dans une seconde douille excentrique et rotative par rapport à elle, cette seconde douille étant solidaire du bâti de la presse Les douilles excentriques sont entraînées indépendamment par des arbres d'entraînement solidaires de pignons d'entrainement et com- portent une botte de renvoi contenant plusieurs roues dentées, de telle manière que les pignons dentés, constitués par des pignons droits, puis- sent être couplés auxdites roues d'entraînement par l'intermédiaire de roues dentées montées sur des arbres intermédiaires parallèles aux ar- bres d'entraînement. Par commande de la boite de renvoi, il était possible, jusqu'à présent, d'obtenir différents déplacements de la matrice supérieure Jusqu'à présent, on utilisait à cet effet des roues d'entraînement des deux ar- bres d'entraînement des douilles excentriques constituées par des pi- gnons à vis, chaque pignon à vis étant couplé directement par l'inter- médiaire d'un engrenage à l'arbre moteur Le couple était transmis par l'intermédiaire d'une vis à une boite de renvoi comportant plusieurs roues dentées pouvant être accouplées au choix Une deuxième vis était montée sur l'arbre de sortie de la boite de renvoi et accouplée à une roue à vis sans fin de l'arbre d'entraînement de la seconde douille ex- centrique De cette manière, différents mouvements oscillants pouvaient être transmis à la matrice supérieure agissant sur la pièce à estamper. Un des inconvénients de cette réalisation était dû au fait que des for- ces appliquées par la presse étaient limitées à environ 2 '500 k N L'en- 6 - traînement par roues à vis ne permettait en aucun cas d'appliquer des forces supérieures En effet, pour appliquer des forces supérieures, on aurait dû réaliser des roues à vis et des vis de dimensions plus impor- tantes Ceci aurait entraîné des frais exagérés entraînant une baisse de la rentabilité. Grâce à la conception selon l'invention comportant des pignons droits et une boite de renvoi parallèle à ces pignons, il est possible de transmettre des forces bien plus importantes Grâce à cet agencement des roues dentées et des arbres intermédiaires, toutes sortes de mouve- ments oscillants peuvent également être appliqués à la matrice corres- pondante. La présente invention sera mieux comprise en référence à la description d'un exemple de réalisation et du dessin annexé, dans lequel La figure 1 représente une vue en coupe axiale à travers une presse pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, La figure 2 représente une vue latérale d'une ébauche, La figure 3 est une vue en coupe la ligne III-III de la fig 2, La figure 4 représente une vue latérale de la crémaillère usinée, La figure 5 représente une vue trices, La figure 6 représente une vue la ligne VI-VI de la fig 8, La figure 7 représente une vue rieur, et agrandie en coupe illustrant les deux ma- en coupe de la matrice supérieure, selon schématique d'une matrice de l'art anté- La figure 8 représente une vue de dessous de la matrice supérieure. La presse oscillante se compose d'un bâti 1 composé d'un ou de plu- -7 - sieurs éléments Dans la zone supérieure du bâti 1 se trouve la matrice 2 reliée à une cloche 3 La cloche 3 est montée de façon pivotante sur un palier correspondant 4, et ce palier 4 est lui-même porté par un sup- port solidaire du bâti Un téton 5, logé dans une douille excentrique 7, est porté par la cloche 3 La douille excentrique 7 est elle-même portée par une seconde douille excentrique 8 rotative montée sur le bâti 1 de la presse. Les deux douilles excentriques 7 et 8 peuvent être entraînées indépen- damment l'une de l'autre Dans ce but, la douille excentrique intérieure 7 est connectée à un arbre 10 par l'intermédiaire d'un disque d'entraî- nement 9 Ce disque 9 permet de transmettre la rotation de l'arbre 10 à la douille excentrique 7 La douille excentrique 8 est à nouveau reliée à l'arbre d'entraînement creux 11 à l'intérieur duquel est monté l'arbre 9 rotatif par rapport à l'arbre creux 11 L'arbre creux 11 porte un pignon d'entraînement 12 constitué par un pignon droit à dents droi- tes ou inclinées Le pignon denté 12 est soit directement, soit indirec- tement relié à un moteur d'entraînement (non représenté). L'arbre 10 est également connecté à un pignon d'entraînement 13 Deux ou plusieurs arbres intermédiaires 14 et 15, parallèles aux arbres d'en- traînement 10 et 11, portent plusieurs roues dentées 16 Les roues den- tées 16 peuvent être à volonté couplées à la roue d'entraînement 12 par l'intermédiaire d'une démultiplication ou d'une surmultiplication pour transmettre le couple d'entraînement à la roue d'entraînement 13. De cette manière, on peut engendrer au choix des vitesses d'entraînement identiques ou différentes ou des sens de rotation différents pour les deux arbres 10 et 11, de manière à provoquer des mouvements d'oscilla- tion différents. Par ce moyen, on peut par exemple engendrer des mouvements circulaires, des mouvements hélicoïdaux, des mouvements rectilignes ou des mouvements suivant des courbes cycloidales De même, l'angle d'inclinaison peut être déterminé au choix. Une matrice inférieure 17 est montéesur un poussoir 18 Le poussoir est -8logé dans un cylindre principal 19 relié par une bague intermédiaire 20 au bâti 1 de la machine Le poussoir 18 comporte des colonnes de gui- dage 21 qui peuvent pénétrer dans des alésages appropriés 22 ménagés dans le support 6 pendant le processus d'estampage. Un piston de poussoir 23, comportant une butée mobile 24, assure l'éjec- tion de la crémaillère 25 après chaque cycle d'estampage. L'éjecteur 24 est monté sur un alésage fileté du piston éjecteur 23, de telle manière que sa hauteur peut être facilement ajustée. De même, le poussoir 18 comporte, à son extrémité inférieure, un écrou d'appui 26 destiné à limiter sa course vers le haut Cet écrou butée 26 coopère avec la partie filetée 27 du poussoir 18 et est pourvu d'une roue à vis 28 qui coopère avec une vis sans fin 29 Ce dispositif per- met d'effectuer un réglage motorisé de la course. La force de la presse est obtenue par des moyens hydrauliques A cet ef- fet, on utilise les chambres de pistons ménagées entre le poussoir 18 et le cylindre principal 19, dans lesquelles on injecte le fluide hydrauli- que Il en est de même du piston de poussoir 23 activé par des moyens hydrauliques. Lors de la fabrication de la crémaillère 25 à partir d'une ébauche réa- lisée au moyen d'une tige cylindrique 25 ' (voir les fig 2 et 3), celle- ci est mise en forme entre les matrices supérieure 2 et inférieure 17, la matrice supérieure 2 étant soumise à un mouvement de-pivotement De ce fait, la force d'estampage se concentre exclusivement sur une partie de la surface de la pièce à mettre en forme La zone de compression s'é- tend par-dessus la totalité de la surface de la pièce pour engendrer sa déformation. Comme le montrent les fig 2 et 3, l'ébauche est constituée par une tige cylindrique 25 ', dont la partie centrale 30, destinée à être équipée d'une denture, est coudée par rapport aux deux extrémités 31 et 32 Com- me le montre la fig 4, ceci permet d'obtenir une crémaillère finie 25, dont les deux extrémités 32 et 31 sont disposées dans un même plan de -9symétrie par rapport à la partie dentée centrale 30 Comme le montre également la fig 4, ainsi que la coupe transversale de la fig 5, la crémaillère présente un profil en forme de Y Le long de sa face infé- rieure, cette crémaillère 25 est pourvue d'une nervure 33 disposée dans un plan de symétrie vertical et s'étendant sur une longueur correspon- dant à la denture supérieure 36 Deux surfaces inclinées 34 et 35 re- lient la nervure 33 au côté cannelé Les deux surfaces obliques 34 et 35 servent de surface d'appui pour la pièce de poussée après le mon- tage de la crémaillère dans une boîte de direction Les deux tronçons d'extrémité 31 et 32-gardent une forme circulaire, mais pourraient avoir n'importe quelle autre forme. Le long des bords latéraux des dents 36, des renflements ou nervures 37 s'étendent parallèlement à l'axe de la crémaillère 25 Les deux renfle- ments 37 sont disposés légèrement en-dessous de la base des dents Le formage des renflements 37 sera décrit plus en détail en référence aux figures 5 à 8. La fig 5 illustre une-vue agrandie d'une coupe transversale des matri- ces supérieure 2 et inférieure 17 et de la crémaillère 25 prise entre ces matrices Les deux renflements latéraux 37 sont formés par repous- sage de matière au cours du processus d'estampage. Comme le montrent plus particulièrement les fig 6 et 8, les dents 38 de la matrice supérieure 2, destinées à former les cavités entre les dents 36 de la crémaillère 25, sont décalées vers le haut par rapport à la surface d'estampage 39 C'est-à-dire que les têtes des empreintes né- gatives des dents de la crémaillère sont décalées vers le bas De cette manière, les dents 38 de la matrice 2 sont solidaires de la matrice et peuvent subir des contraintes très importantes En outre, de la matière de l'ébauche 25 ' est repoussée dans les évidements 40 pour former les dents 36 Comme le montre la fig 6, on évite ainsi le repoussage d'une quantité indéfinie de matière par les parois latérales 41 et 42 des évidements Ceci permet d'éviter toute formation de bavures et aboutit à la réalisation de dents à profil propre, ne nécessitant plus aucun usinage ultérieur. - La,fig 7 illustre, à titre d'exemple, une matrice de conception couran- te, équipée de protubérances 43 destinées à estamper des cavités dans 3 l'ébauche. il - Revendications 1 Procédé de fabrication d'une crémaillère, notamment d'une crémaillère à démultiplication variable, dans lequel les dents de la crémaillère présentent, dans sa zone centrale, un profil différent de celui de ses extrémités, caractérisé en ce que la crémaillère ( 25) est réalisée par estampage à froid à partir d'une ébauche au moyen d'une presse comportant une matrice supérieure ( 2) et une matrice inférieure ( 17), et en ce que la matrice ( 2) effectue un mouvement oscillant pendant le processus d'estampage. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ébauche est constituée par une tige cylindrique. 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on utilise une ébauche dont la partie centrale ( 30), destinée à être cannelée, est coudée par rapport à au moins l'une des extrémités ( 31, 32). 4 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une matrice ( 17) constituant la forme négative agencée pour réaliser la partie in- férieure de la crémaillère ( 25) et l'autre matrice ( 2) comportant en né- gatif le profil denté de ladite crémaillère. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la matrice ( 2), agencée pour réaliser le profil denté, constitue la matrice supé- rieure et est soumise au mouvement oscillant. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la matrice ( 17), destinée à façonner la partie inférieure de la crémaillère ( 25), est agencée de telle manière qu'il se forme une nervure ( 33) disposée à la face inférieure de la crémaillère, sensiblement dans son plan de symétrie verticale, cette nervure s'étendant longitudinalement au moins approximativement dans la zone dentée ( 30) de cette crémaillère. 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caracté- 12 - risé en que les matrices ( 2, 17) sont agencées de telle manière que la crémaillère ( 25) présente au moins approximativement une section droite en forme d'un profil Y. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caracté- risé en ce que la matrice ( 2), destinée à former la denture, est agen- cée de telle manière que la surface de presse ( 39), orientée vers l'é- bauche, comporte des cavités ( 40) pour le matriçage des dents de la cré- maillère, et en ce que les crêtes des dents négatives ( 38) de la matri- ce ( 2) affleurent tout au plus ladite surface de presse ( 39). 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les crê- tes des dents négatives ( 38) de la matrice ( 2) sont disposées à un ni- veau inférieur par rapport à la surface de presse ( 39). Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendica- tions 1 à 3, comportant une presse dans laquelle la matrice supérieure, estmontée dans une cloche à l'aide d'un tenon, ce tenon étant guidé par une douille excentrique, cette douille étant montée dans une seconde douille excentrique rotative à l'intérieur du bâti de la presse, et dans lequel les deux douilles excentriques peuvent être entraînées indépen- damment en rotation par l'intermédiaire d'arbres et de pignons d'entraî- nement susceptibles d'être accouplés au travers d'une boite de renvoi comportant plusieurs roues de couplage, caractérisé en ce que les pi- gnons d'entraînement ( 12, 13) sont des pignons droits, et en ce que la boite de renvoi comporte deux ou plusieurs arbres intermédiaires ( 14, ) portant des roues dentées ( 16) et disposés parallèlement aux arbres d'entraînement, ces roues dentées ( 16) pouvant être accouplées à volonté avec les pignons d'entraînement ( 12, 13). 11 Crémaillère obtenue par le procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte une nervure longi-, tudinale ( 33) ménagée le long de sa surface inférieure, sensiblement dans son plan de symétrie, et s'étendant au moins approximativement le long de la zone dentée. 12 Crémaillère selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle 13 - présente au moins approximativement une section droite en forme de pro- fil Y. 13 Crémaillère obtenue par le procédé selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle présente deux protubérances latérales ( 37) parallèles à son axe longitudinal et disposées le long de la zone dentée. Roi TADT Br Me ts d'inventin, t 'arques, lodt-les 12, rue du 17 Novembre F I O o MULHOUSE (France)