Brevet FR2530508A1 — publié le 19840127

Barre de crémaillère métallique, procédé de fabrication de cette barre de crémaillère, et engrenage de direc- tion utilisant celle-ci L'invention concerne une barre de crémaillère métallique, un procédé de fabrication de cette barre de crémaillère à partir d'une barre de métal brut, et un engrenage de direction utilisant cette barre de crémail- lere. Les engrenages de direction du type à pignon et crémaillère sont bien connus de l'industrie automobile et des industries annexes Classiquement, ces engrenages comprennent un pignon monté en rotation dans un carter, et dont les dents viennent en prise avec un ensemble de dents de crémaillère formées sur une barre de crémaillère montée longitudinalement dans le carter de façon que lorsque le pignon tourne en réponse à une commande d'en- trée de direction, la barre de crémaillère se déplace longitudinalement par rapport au carter pour fournir une commande de sortie de direction. Dans sa forme courante, la barre de crémaillère présente, à une extrémité, une certaine longueur de barre sur laquelle les dents de crémaillère sont formées par usinage (par exemple par usinage au forêt ou par embou- tissage ou par toute autre technique de moulage sous pres- sion), l'autre extrémité de la barre de crémaillère étant généralement lisse de manière à former une extension con- venable permettant d'accoupler la barre de crémaillère à une tringlerie de direction appropriée, comme cela est bien connu de l'art antérieur. Classiquement les barres de crémaillère sont for- mées à partir de pièces de métal brutes et leur fabrica- tion nécessite des opérations d'usinage très importantes aux endroits o le métal doit être retiré de la barre, en particulier dans la finition de la longueur de barre partant de la partie de crémaillère La pièce à usiner est coupée à une longueur correspondant au moins à la longueur de la barre de crémaillère terminée, et le poids, la taille et le coût d'une barre de crémaillère ainsi obtenue par des moyens classiques représentent une propor- tion importante du poids, de la taille et du coût de l'engrenage de direction utilisant cette barre. Il existe une demande toujours croissante, dans l'industrie des engrenages de direction, pour réaliser les éléments d'engrenage de manière plus économique en permettant de réduire la taille globale et le poids de l'engrenage sans réduire ses caractéristiques attendues d'efficacité, de fiabilité et de sécurité. L'invention a donc pour but de créer une barre de crémaillère perfectionnée ainsi qu'un procédé de fabrica- tion de cette barre répondant aux besoins ci-dessus. A cet effet, l'invention concerne une barre de crémaillère comprenant une première longueur partielle portant un ensemble de dents de crémaillère et une seconde longueur partielle complètement lisse se situant longitu- dinalement dans le prolongement de la première longueur partielle, la seconde longueur partielle présentant une section transversale constante de surface inférieure à celle de la section transversale de la première longueur partielle et un épaulement périphérique étant formé entre ces deux longueurs partielles, barre de crémaillère caractérisée en ce que la surface de celle-ci, sur sa seconde longueur partielle comprise entre l'extrémité ou une position voisine de l'extrémité opposée à la première longueur partielle, et sur la partie de transition cor- respondant à la longueur de l'épaulement compris entre les première et seconde longueurs partielles, ne présente aucune rupture de manière à former un grain métallique continu sur toute cette surface. L'invention concerne également un procédé de fabri- cation de la barre de crémaillère ci-dessus à partir d'une barre de métal brut sur une longueur partielle de laquelle se trouve ou doit êètre formé un ensemble de dents de cré- maillère, ce procédé étant-caractérisé en ce qu'il, con- siste à usiner une seconde longueur partielle de la barre pour réduire la section transversale de celle-ci par rap- port à celle de la première longueur partielle et former un épaulement périphérique entre ces longueurs partielles tout en augmentant simultanément la dimension longitudi- nale de la seconde longueur partielle, cet usinagecon- servant une surface sans rupture sur au moins la majeure partie de la seconde longueur partielle partant de l'épaulement et sur la longueur partielle de transition de la barre correspondant à cet épaulement compris entre les première et seconde longueurs partielles,,de manière à obtenir ainsi un grain métallique continu sur toute cette surface. L'invention concerne enfin un engrenage de direc- tion utilisant une barre de crémaillère telle que décrite ci-dessus, fabriquée par le procédé également décrit ci- dessus. Le grain de métal continu obtenu sur la surface de la barre de crémaillère s'étendant sur l'épaulement compris entre la première et- seconde longueurs partielles de la barre et, partant de là, sur la seconde longueur partielle, est de préférence obtenu en soumettant la barre de métal brut à une opération d' é ampage permettant de réduire progressivement la section transversale de la barre Généralement la barre de métal brut ou pièce à usiner est de forme cylindrique, son diamètre correspon- dant au diamètre nécessaire pour obtenir la première lon- gueur partielle sur laquelle est formée la rangée de dents de crémaillère. On peut alors réduire par étampage le diamètre de la partie longitudinale correspondant à la seconde longueur partielle de la barre, cette opération étant de préférence réalisée par une technique d' étamppge rotatif dans laquelle la barre est soumise à des rouleaux de percussion à action radiale Pendant la réduction de diamètre (et par conséquent de section transversale) de la pièce usinée comme indiqué ci-dessus, il se produit nécessairement une augmentation de la dimension longitu- dinale de la seconde longueur partielle On peut tenir compte de cette augmentation de longueur de telle manière qu'après l'opération d' étampage, la longueur de la seconde longueur partielle obtenue soit compatible avec la longueur totale de barre de crémaillère qu'on veut obtenir. La technique d' étainpage présente les avantages suivants: La diminution de diamètre de la barre de cré- maillère sur une grande partie de sa longueur peut con- duire à une forte réduction de son poids (par rapport à une barre cylindrique de même taille présentant un dia- mètre constant); la barre peut etre usinée avec préci- sion à sa longueur finale requise; les chutes de maté- riau servant à la fabrication de la barre de crémaillère sont supprimées et, à la suite de l'opération d étamt. page, l'usinage de finition de la surface de la barre sur sa longueur de transition et sur sa seconde longueur partielle, est supprimé Il apparaît ainsi clairement que les avantages ci-dessus réduisent les coûts de fabri- cation de la barre de crémaillère. De plus, la réduction de section transversale de la seconde longueur partielle de la barre de crémaillère par rapport à sa première longueur partielle, est très intéressante car elle permet d'utiliser un carter plus petit que les carters habituels de logement de la barre de crémaillère dans les engrenages de direction Cette réduction de section permet également d'utiliser des coussinets plus petits que les coussinets habituels dans lesquels la seconde longueur partielle de la barre de crémaillère vient se loger pour se déplacer longitudina- lement dans le carter (ou dans une extension tubulaire de ce carter). Il est également possible, en réduisant les dimen- sions latérales de la seconde longueur partielle, par exemple par étampage comme décrit ci-dessus, de façon que le grain métallique de la surface spécifiée de la barre de crémaillère ne soit pas rompu, d'obtenir une plus grande rigidité que celle d'une barre de crémaillère de même taille dans laquelle on a simplement réduit le diamètre de la seconde longueur partielle (comparative- ment au diamètre de la longueur partielle portant les dents de crémaillère) en retirant du métal par usinage au f 3 ret. La barre de métal brute à partir de laquelle on fabrique la barre de crémaillère, peut être pleine ou tubulaire Il est fréquemment souhaitable que la barre de crémaillère présente un passage axial par lequel on puisse faire passer un fluide tel que de l'air ou un liquide, entre des chambres axialement séparées dans les- quelles peut pénétrer la barre de crémaillère d'un engre- nage de direction En fabriquant la barre de crémaillère à partir d'une pièce brute tubulaire, on peut convenable- ment obtenir le passage axial ci-dessus à partir du trou central de la pièce brute (même si l'on admet que la section transversale de ce trou central soit réduite en diamètre lorsqu'on réduit la section de la seconde lon- gueur partielle de la barre de crémaillère). De préférence, la seconde longueur partielle de la barre de crémaillère forme une extension à partir de sa partie de crémaillère, de manière à permettre l'accouple- ment de la barre de crémaillère à une tringlerie de direc- tion, par exemple par l'intermédiaire d'un Joint univer- sel, pour la relier à une barre d'attelage ou à un servo- moteur tel qu'un dispositif à cylindre et piston de direc- tion assistée Bien que l'invention-supprime l'usinage de la pièce brute en ce sens qu'on n'en retire pas de métal au cours de la formation de la seconde longueur partielle, il est évident que l'extrémité de cette seconde longueur partielle la plus éloignée des dents de crémaillère doit ensuite être usinée, suivant les besoins, par un outil de coupe Si, par exemple, l'extrémité de la seconde lon- gueur partielle correspond à une extrémité de la barre de crémaillère, cette extrémité peut être munie d'un pas de vis intérieur ou extérieur permettant de l'accou- pler à un autre élément de'la tringlerie de direction. On considère cependant que la seconde longueur partielle ne doit pas nécessairement s'étendre de l'épau- lement Jusqu'à l'extrémité de la barre de crémaillère. Cette barre de crémaillère peut par exemple être du type à "prise centrale" dans lequel on prévoit, en un point de la longueur de cette barre éloigné de ses deux extré- mités, le branchement d'un accouplement permettant d'ob- tenir un mouvement de sortie servant à actionner la trin- glerie de direction Ce résultat peut être obtenu en soumettant la barre à une opération d'usinage ou de com- pression après formation de la seconde longueur partielle. L'ensemble des dents d'engrenage peut être formé sur la barre avant ou après la formation de la seconde longueur partielle de diamètre réduit de cette barre Les dents d'engrenage peuvent être formées de n'importe quelle manière convenable, comme par exemple par usinage au foret ou par toute autre technique de coupe, ou encore par emboutissage ou par toute autre technique de-type forgeage. Bien que l'engrenage de direction utilisant la barre de crémaillère selon l'invention, soit générale- ment du type à pignon et crémaillère, il est évident que la barre de crémaillère selon l'invention peut aussi bien se monter dans d'autres types d'engrenages de direction o l'élément denté qui vient en prise avec les dents de crémaillère se présente sous une autre forme que celle d'un pignon et peut etre constitué par exemple par un secteur denté. L'invention sera décrite en détail au moyen des dessins ci-Joints dans lesquels la figure 1 représente une longueur de-barre cylindrique brute à partir de laquelle on fabrique la barre de crémaillère la figure 2 représente une forme de réalisation de barre de crémaillère à "prise d'extrémité" fabriquée à partir de la pièce brute de la figure 1 à laquelle elle doit être comparée pour apprécier l'augmentation de lon- gueur obtenue au cours de cette fabrication; - la figure 3 représente une seconde forme de réa- lisation d'une barre de crémaillère à "prise centrale" fabriquée à partir de la pièce brute de la figure 1; et la figure 4 est une vue en coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 3. Une barre d'acier cylindrique pleine 1 est coupée, dans une pièce de matière première, à une longueur pré- déterminée plus courte que la barre de crémaillère 2 qui doit être fabriquée à partir de celle-ci La barre de crémaillère 2 comporte une première longueur partielle 3 dans laquelle est formé un ensemble de dents de crémail- lère 4 La longueur partielle 3 présente un diamètre correspondant exactement à celui de la pièce brute 1. Une longueur partielle cylindrique lisse de diamètre rela- tivement réduit 5 s'étend longitudinalement, dans la forme de réalisation de la figure 2, dans le prolongement de la longueur partielle 3 Les longueurs partielles 3 et 5 sont concentriques et se relient par une longueur partielle de transition 6 formant un épaulement entre les parties 3 et 5. La longueur partielle de diamètre réduit 5 s'obtient en soumettant la pièce brute 1 (sauf dans sa longueur partielle correspondant à la longueur partielle 3 de la barre de crémaillère à obtenir) à une opération d étatn- page permettant de réduire progressivement son diamè- tre en l'étirant longitudinalement La transformation de la pièce brute 1 permettant de former l'épaulement 6 et la seconde longueur partielle étirée 5, peut se faire en utilisant une machine d' étampage rapide utilisant un système de percussion à rouleaux à action radiale, dans laquelle la pièce brute est placée dans une plaque de mâchoire et soumise à une pression radiale permettant d'obtenir la réduction cylindrique Pendant cette opéra- tion d'étampage la surface de la pièce brute sur la longueur de laquelle sont formés l'épaulement 6 et la seconde longueur partielle 5, ne subit aucune rupture,-de sorte que le grain métallique continu qui existait à la surface de la pièce brute 1, se conserve dans l'épaule- ment 6 et dans la longueur partielle 5 de la barre de crémaillère. Avant ou après la formation de la longueur par- tielle 5, on peut convenablement former l'ensemble des dents de crémaillère 4 en utilisant des moyens classiques tels qu'un usinage au foret ou tout autre moyen tel qu'un itampage ou tout autre procédé de formage à froid. Dans un engrenage de direction à pignon et crémail- lère typique utilisant la barre de crémaillère 2, on peut avoir besoin d'une " prise d'extrémité" dans laquelle les extrémités de la barre de crémaillère doivent alors être couplées à des barres d'attelage (non représentées) pour constituer la tringlerie de direction Pour cet accouplement, les extrémités de la barre de crémaillère 2 doivent être usinées, par un outil de coupe par exemple, pour former des trous taraudés 7 dans ces extrémités, ou l'extrémité de la longueur partielle 5 la plus éloi- gnée de la crémaillère 4 peut être usinée ou comprimée pour former un méplat (non représenté) sur lequel peut se faire l'accouplement. Si cela est nécessaire, la pièce brute 1 peut être tubulaire de façon que son trou axial 8 puisse convena- blement servir de passage de fluide à l'intérieur de la barre de crémaillère 2. Dans la forme de réalisation des figures 3 et 4, la barre de crémaillère 2 est encore fabriquée à partir de la pièce brute 1, mais cet exemple permet d'obtenir une "prise centrale" selon laquelle la barre de crémaillère peut se monter dans une tringlerie de direction de ma- nière à fournir une prise de sortie éloignée de ses ex- trémités La barre de crémaillère de la figure 3 comporte deux parties coaxiales de diamètre réduit 5 a et 5 b entre lesquelles se place axialement une partie d'accouplement 9 Les parties 5 a et 5 b sont formées en soumettant la pièce brute 1 (ailleurs que dans les parties correspon- dant à la longueur partielle 3 et à la partie 9 de la barre de crémaillère à obtenir), à des opérations d'étampageanalogues à celles de la forme de réalisation de la figure 2. Après cet étampage, la partie d'accouplement 9 peut être usinée en forme de méplat, comme indiqué sur la figure 4, et percée de trous lâtéraux 10 par lesquels peut s'effectuer l'accouplement Pendant le processus d' étampage f la surface de la pièce brute, sur toute sa longueur servant à former l'épaulement 6 et l'exten- sion 5 a de la seconde longueur partielle, ne subit aucune rupture, ce qui permet de conserver un grain métallique continu sur l'épaulement 6 et le long de la partie 5 a. En comparant les figures 1 et 2 ou 3, on peut cons- tater que la barre de crémaillère 2 est nettement plus longue que la pièce brute 1, ce qui constitue une écono- mie importante de matière première comparativement à une technique de fabrication de la barre de crémaillère dans laquelle la longueur partielle 5 ou 5 a est formée en enlevant du métal sur une pièce brute de même longueur que la barre de crémaillère à obtenir De plus, l'obten- tion d'un grain continu sur l'épaulement 6 et sur la longueur partielle 5 ou 5 a de la barre de crémaillère supprime le risque d'un affaiblissement intempestif de la barre de crémaillère dans la zone de son épaulement 6 (ce qui ne manquerait pas de se produire dans le cas d'un usinage de coupe selon l'art antérieur pour la for mation de la longueur partielle 5 ou 5 a). Comme on pourra le remarquer d'après la descrip- tion qui précède, la longueur de la pièce brute 1 peut se déterminer sans difficulté lorsqu'on connait la lon- gueur requise de la barre de crémaillère (en particulier la longueur requise pour les longueurs partielles 5, 5 a et 5 b, et le diamètre qu'on veut obtenir pour ces lon- gueurs partielles). R E V E N D I C A T I O N 5 ) Barre de crémaillère ( 2) comprenant une pre- mière longueur partielle ( 3) portant un ensemble de dents de crémaillère ( 4) et une seconde longueur partielle ( 5) complètement lisse se situant longitudinalement dans le prolongement de la première longueur partielle ( 3), la seconde longueur partielle ( 5) présentant une section transversale constante de surface inférieure de celle de la section transversale de la première longueur partielle ( 3) et un épaulement périphérique ( 6) étant formé entre ces deux longueurs partielles, barre de crémaillère ( 2) caractérisée en ce que la surface de celle-ci, sur sa seconde longueur partielle ( 5) comprise entre l'extrémité ou une position voisine de l'extrémité opposée à la pre- mière longueur partielle ( 3), et sur la partie de transi- tion correspondant à la longueur de l'épaulement ( 6) compris entre les première et seconde longueurs partiel- les, ne présente aucune rupture de manière à former un grain métallique continu sur toute cette surface - 20) Barre de crémaillère selon la revendication 1, caractérisée en ce que les première et seconde longueurs partielles ( 3, 5) sont constituées par des parties tubu- laires définissant ensemble un passage longitudinal ( 8) à l'intérieur de la barre. 30) Barre de crémaillère selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la seconde longueur partielle ( 5) est parfaitement cylindrique. ) Barre de crémaillère selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la seconde longueur partielle ( 5) se situe longitudinalement entre l'épaulement périphérique ( 6) et des moyens d'accouple- ment ( 7) permettant de monter la barre de crémaillère ( 2) dans un engrenage de direction. ) Barre de crémaillère selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les moyens d'accouplement ( 7) sont constitués par une partie usinée de la barre ( 2). ) Barre de crémaillère selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la seconde longueur partielle ( 5) constitue en fait une partie d'extrémité de la barre de crémaillère ( 2). ) Procédé de fabrication d'une barre de crémail- lère selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, à partir d'une barre de métal brute ( 1) présentant une première longueur partielle ( 3) sur laquelle est formé ou doit être formé un ensemble de dents de crémaillère ( 4), procédé caractérisé en ce qu'il consiste à usiner une seconde longueur partielle ( 5) de la barre ( 2) pour ré- duire la section transversale de celle-ci par rapport à celle de la première longueur partielle ( 3) et former un épaulement périphérique ( 6) entre ces longueurs partiel- les tout en augmentant simultanément la dimension longi- tudinale de la seconde longueur partielle ( 5), cet usi- nage conservant une surface sans rupture sur au moins la majeure partie de la seconde longueur partielle ( 5) par- tant 'de l'épaulement ( 6) et sur la longueur partielle de transition de la barre correspondant à cet épaulement ( 6) compris entre les première et seconde longueurs partiel- ls, de manière à obtenir ainsi un grain métallique con- tinu sur toute cette surface. ) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la première longueur partielle ( 3) constitue essentiellement une première partie d'extrémité de la barre ( 2) et en ce que la seconde longueur partielle ( 5) constitue essentiellement l'autre partie d'extrémité de la barre ( 2). ) Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 7 et 8, caractérisé en ce qu'il consiste à usiner la seconde longueur partielle ( 5) de la barre ( 2) par étampage pour réduire la section transversale de cette partie et former l'épaulement périphérique ( 6). ) Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 7 à 9, caractérisé en ce qu'il consiste à usiner la barre de crémaillère ( 2) à partir d'une barre de métal brute tubulaire ( 1). ) Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 7 à 10, caractérisé en ce qu'il consiste à usiner la barre tubulaire ( 1) en la conservant tubulaire sur une partie au moins de sa longueur, cette longueur par- tielle comportant ainsi un passage longitudinal ( 8) à l'intérieur de la barre. ) Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 7 à 11, caractérisé en ce qu'il consiste à former sur la barre, à l'extrémité de la seconde longueur par- tielle ( 5) opposée à la première longueur partielle ( 3), des moyens d'accouplement ( 7) permettant de relier la barre de crémaillère à une tringlerie de direction - ) Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 7 à 12, caractérisé en ce qu'il consiste à usiner la barre ( 2) pour former les moyens d'accouplement ( 7). ) Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 7 à 13, caractérisé en ce qu'il consiste à former les moyens d'accouplement ( 7) essentiellement à l'extré- mité de la seconde longueur partielle ( 5) de la barre opposée à la première longueur partielle ( 3). ) Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 7 à 14, caractérisé en ce qu'il consiste à former l'ensemble de dents de crémaillère ( 4) dans la première longueur partielle ( 3) de la barre après avoir réduit à la surface voulue la section transversale de la seconde longueur partielle ( 5) de cette barre. ) Engrenage de direction caractérisé en ce qu'il utilise la barre de crémaillère ( 2) selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 6, obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 15.