Brevet FR2534994A1 — publié le 19840427

L'invention concerne un arbre articulé, en parti- culier pour l'entraînement des roues d'un véhicule automobile, constitué d'un premier joint d'articulation, d'un second joint d'articulation et d'un arbre intermédiaire qui relie les deux joints et qui est en matière synthétique renforcée par des fibres de verre et/ou de carbone. Les véhicules automobiles sont habituellement conçus de manière à optimiser les qualités de marche, telles que la vitesse, et à réduire autant que possible la consommation de carbu- rant On sait que l'un des moyens pour réduire la consommation consiste à alléger le véhicule dans la mesure du possible On a déjà proposé dans ce but de fabriquer un joint de cardan en une seule pièce et en plus en matière synthétique (modèle d'utilité allemand DE-Gbm 19 79 966) La matière synthétique employée selon cette proposition est une matière thermoplastique orientée par couches, du polypropylène par exemple Cette proposition connue prévoit en outre de conformer le tube de matière synthétique en nervures ou de l'élargir dans la zone, du joint Ces nervures pos- sèdent un plus grand diamètre que les moyeux qui s'y raccordent latéralement du tube de matière synthétique proprement dit. Bien que cette proposition aille dans le sens d'un gain de poids donc aussi dans celui de la réduction de consommation de carburant du véhicule, il est vraisemblable qu'un joint de car- dan en matière thermoplastique ou analogue ne résisterait pas long- temps à la charge dynamique élevée à laquelle il est exposé en permanence pendant le fonctionnement. En outre, la demande de brevet européen 22 467 propose déjà un procédé pour fabriquer un arbre d'entraînement qui sert à accoupler deux éléments de transmission différents et est en un matériau composite renforcé par des fibres qui sont enroulées sous forme d'un fil sous un angle d'environ 450 avec l'axe de la pièce. Cette proposition porte également sur la réalisation d'un arbre d'entraînement selon ce procédé Les deux arbres sont ici des pièces séparées, constituées selon les désirs de métal, matière plastique ou de matériau composite, qui sont reliées, par collage par exemple, à une pièce formant noyau Celle-ci est enveloppée par enroulement, conjointement avec les arbres, d'une nappe de matière plastique armée aux fibres de verre L'élément d'accouplement obtenu de cette manière au droit du noyau et qui ressemble à un gros bourre- let ou pli circulaire de plus grand diamètre que les arbres, est ainsi relié de façon indétachable aux arbres Il est cependant pos- sible aussi d'assembler l'élément d'accouplement et les arbres par compression et de produire ensuite le durcissement. Quoique l'on puisse tirer de cette proposition des enseignements sur le choix du matériau des arbres, elle demande une dépense de fabrication relativement élevée, quel que soit le mode d'assemblage des composants, c'est-à-dire des arbres et de l'élément d'accouplement qui les relie Cette dépense diminue toutefois les bénéfices de l'allègement,procuré par une telle solution, d'un véhicule équipé d'un arbre d'entraînement ainsi réalisé, surtout lorsque les arbres sont en un matériau de masse volumique élevée, en métal par exemple. Enfin, le brevet britannique GB 15 99292 propose déjà un arbre d'entraînement avec un joint à croisillon et fait d'un matériau composite, c'est-à-dire de matière plastique renforcée par des fibres de verre ou de carbone Pour monter le croisillon, cette solution demande la disposition de coussinets particuliers dans la partie élargie, par rapport au tronçon tubulaire Cela rend la fabrication relativement coûteuse parce que les coussinets ne peuvent pas être emmanchés à force ou collés dans des trous percés -après coup dans l'arbre d'entraînement car la structure des fibres ou des fils des couches superposées serait ainsi perturbée, ce qui nuirait également à la solidité de l'arbre Les coussinets doivent être incorporés lors de l'enroulement des différentes couches. Compte tenu des insuffisances et des inconvénients mentionnés ci-dessus des propositions connues, l'invention vise à créer un arbre articulé de construction simple, qui évite de nom- breux points de jonction et soit relativement léger et qui, grâce au choix et à la combinaison judicieux des matériaux des éléments extérieur et intérieur du joint ou des Joints d'articulation, possède une longue durée de service et soit en même temps capable, par une conformation particulière de l'arbre intermédiaire, de répondre à des besoins portant sur des angles de flexion de grandeur définie. Selon une caractéristique essentielle de l'inven- tion, l'arbre intermédiaire est d'un seul tenant avec au moins l'un des éléments des joints d'articulation auxquels il est relié. Plusieurs variantes de réalisation sont possibles dans le cadre de ce concept de base de l'invention Ainsi, au moins l'un des joints peut -être réalisé sous forme d'un bourrelet ou pli sensiblement circulaire intégré dans l'arbre intermédiaire et possédant un plus grand diamètre que la partie restante de cet arbre. Une autre variante de réalisation adéquate prévoit que l'un au moins des joints d'articulation est un joint homocinétique dont l'élément intérieur se raccorde directement, sans jonction, à l'arbre intermédiaire, éventuellement avec une réduction notable de son diamètre Selon un autre mode de réalisation de l'invention le joint homocinétique est un joint tripode'en soi connu, dont les tourillons de l'étoile tripode (à trois branches) sont reçus dans la partie de plus grand diamètre de l'arbre intermédiaire Enfin, il est également dans le cadre de l'invention de réaliser le joint homocinétique comme un joint à billes en soi connu, dont l'élément intérieur présente plusieurs perçages, ajours ou autres ouvertures répartis circonfé- rentiellement dans la zone de l'élément extérieur antagoniste pour le passage de billes guidées dans les chemins de roulement de l'élé- ment extérieur du joint et appuyées les unescontre les autres ou sur une bague disposée dans l'élément intérieur du joint. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élé- ment intérieur du joint tripode présente plusieurs perçages, ajours ou autres ouvertures répartis circonférentiellement dans la zone des parties en forme de doigt ou de tulipe de l'élément extérieur du joint pour le passage des tourillons devant recevoir des éléments de roulement en segment ou calotte sphérique. Un perfectionnement prévoit le garnissage des perçages, ajours ou autres ouvertures avec des douilles métalliques servant au guidage des billes ou des tourillons. Pour parfaire la solution selon l'invention, la sur- face radialement extérieure de la bague d'appui des billes peut avoir un profil légèrement concave en coupe axiale et le pli formant l'un des joints d'articulation peut se raccorder à une partie de jonction sous forme d'une bride, d'une partie de jonction tubulaire cannelée intérieurement, et ainsi de suite. Il va de soi que l'invention apporte toute une série d'avantages Ainsi, l'arbre articulé est de construction très simple et au moins équivalent dans son fonctionnement aux arbres articulés et aux joints homocinétiques classiques L'invention combine en plus de façon habile différents matériaux qui ont individuellement fait déjà leurs preuves dans la pratique, tels que l'acier ou l'acier moule pour l'élément extérieur du joint et une matière plastique renforcée par des fibres de verre ou de carbone pour l'élément inté- rieur A cet élément intérieur se raccorde, sans jonction, un arbre intermédiaire qui est fait du même matériau, dans lequel est formé un pli permettant des angles de flexion relativement petits et qui se termine par une bride servant de partie de jonction L'élément intérieur du joint, en matière plastique armée aux fibres-de verre ou aux fibres artificielles, sert d'une part au guidage des billes et d'autre part à la transmission du couple Compte tenu du fait que la pièce formant à la fois l'élément intérieur d'un joint d'arti- culation, l'arbre intermédiaire, le pli constituant le second joint d'articulation et la bride de jonction, est faite d'une matière synthétique armée aux fibres de verre et/ou de fibres artificielles -de faible masse volumique, on obtient dans la pratique des réductions de poids qui ne sont pas négligeables et en même temps une longue durée de service, avec en fin de compte un effet positif sur le poids total d'un véhicule automobile Bien entendu, en respectant des conditions spécifiques de construction en tenant compte des matériaux utilisés, il est possible de réaliser l'élément extérieur du ou des joints d'articulation également d'une matière plastiqué armée aux fibres de verre et/ou aux fibres artificielles. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: -_ la figure 1 montre, partiellement en coupe axiale, un arbre articulé selon l'invention avec un joint homocinétique; la figure 2 représente une variante de réalisation de la partie d'arbre de figure 1 comprenant le pli et la partie de 2 N 34994 jonction, formée ici par une partie tubulaire cannelée intérieure- ment; et la figure 3 montre un arbre articulé selon l'inven'- tion qui est muni d'un côté d'un joint homocinétique comme celui de figure 1 et de l'autre côté d'un joint tripode. La figure 1 représente un arbre d'entraînement, désigné dans son ensemble par 1, qui comporte à gauche un joint homo- cinétique constitué d'un élément extérieur 2 en forme de cloche et d'un élément intérieur 3 faisant concentriquement saillie dans l'élément extérieur A l'élément intérieur 3 se raccorde, avec une réduction notable du diamètre, un arbre intermédiaire 3 a, dans lequel est incorporé un pli unique 3 b de diamètre nettement plus grand, qui est lui-même suivi enfin par une partie de jonction 3 c réalisée sous forme d'une bride par exemple L'élément intérieur 3, l'arbre intermédiaire 3 a, e -pli 3 b et la partie de jonction 3 c forment une-seule pièce sans jonction Alors que l'élément extérieur 2 du joint homocinétique est en acier, en acier moulé par exemple, la pièce formant l'élément intérieur 3, l'arbre intermédiaire 3 a, le pli 3 b et la partie de jonction 3 c est faite de préférence de matière plastique renforcée par des fibres de, verre ou des fibres de carbone En respectant certaines conditions de construction et d'emploi de ces matériaux, l'élément extérieur 3 du joint homo- cinétique peut également être réalisé en matière plastique renforcée par des fibres de verre ou de carbone. L'élément intérieur 3, pénétrant sur l'axe du joint dans son élément extérieur 2, présente plusieurs perçages, ajours ou autres ouvertures 3 d uniformément répartis dans le sens circonfé- rentiel Ces perçages servent au passage de billes 4 guidées dans les chemins de roulement 2 a Les billes 4, transmettant le couple, s'appuient elles-mênmes sur une bague 5 disposée dans l'élément inté- rieur 3 du joint La surface radialement extérieure 5 a de la bague, sur laquelle roulent les billes 4, présente un profil légèrement concave en coupe axiale Le pli 3 b, qui est élastique en flexion tout en étant d'un seul tenant avec l'arbre intermédiaire, par rapport auquel il présente un diamètre nettement plus grand, permet d'encaisser- des angles de flexion de grandeur définie. La figure 2 représente une partie de jonction 3 c dont l'intérieur 3 f duquel présente une cannelure 3 e parallèle à l'axe longitudinal de l'arbre intermédiaire 3 a et permettant la transmission du couple et la compensation d'éventuelles variations de longueur en coopération avec un bout d'arbre cannelé ou un élément cannelé correspondant (non représenté). L'arbre intermédiaire 3 a avec ses parties fonction- nelles 3, 3 b, 3 c et éventuellement 3 d peuvent être fabriqués, sans moyens de jonction supplémentaires, c'est-à-dire en une seule pièce, d'une matière plastique renforcée par des fibres de verre ou de carbone, par exemple selon la technique connue d'enroulement. L'arbre articulé 1 représenté sur la figure 3 est formé essentiellement d'un arbre intermédiaire 3 a en matière plas- tique renforcée par des fibres de verre ou de carbone auquel se raccorde à droite un joint d'articulation homocinétique semblable à celui de la figure 1 et à gauche un joint d'articulation du type tripode L'élément intérieur 6 de ce joint tripode présente des perçages, des ajours ou des ouvertures semblables 9 qui sont unifor- mément répartis dans le sens circonférentiel Ces ouvertures, dont les parois sont garnies de douilles 7, servent à la réception respec- tivement au montage coulissant des tourillons 10 Sur ces derniers sont disposés des éléments de roulement 8 en segment sphérique ou en calotte sphérique lla désigne l'un des doigts formant l'élément extérieur il du joint. L'application d'un arbre intermédiaire 3 a en mat ère plastique renforcée par des fibres de verre ou par des fibres arti- ficielles n'est pas limitée aux types de jpints d'articulation men- tionnés dans ce qui précède On peut concevoir des applications avec d'autres types de joints, o l'arbre intermédiaire est réalisé ou peut au moins être réalisé comme il vient d'être décrit ici ou de manière analogue. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 Arbre articulé, en particulier pour l'entraine- ment des roues d'un véhicule automobile, constitué d'un premier joint d'articulation, d'un second joint d'articulation et d'un arbre intermédiaire qui relie les deux joints et qui est en matière synthétique renforcée par des fibres de verre et/ou de carbone, caractérisé en ce que l'arbre intermédiaire ( 3 a) est d'un seul tenant avec au moins l'un des éléments des joints d'articulation ( 2, 3; 11, 3 b) auquel il est relié. 2 Arbre articulé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'un au moins des joints est realisé sous forme d'un bourrelet ou pli ( 3 b) sensiblement circulaire intégré dans l'arbre intermédiaire ( 3 e) et possédant un plus grand diamètre que cet arbre intermédiaire. 3 Arbre articulé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'un au moins des joints d'articulation est un joint homocinétique dont l'élément intérieur ( 3) se raccorde directement, sans jonction, a l'arbre intermédiaire ( 3 a), éventuellement avec une réduction notable de son diamètre. 4 Arbre articulé selon la revendication 3, caracté- risé en ce que le joint homocinétique est un joint tripode ( 11) dont les tourillons de l'étoile tripode (à trois branches) sont reçus sans pouvoir tourner dans la partie de plus grand diamètre de l'arbre intermédiaire ( 3 a). 5 Arbre articulé selon la revendication 3, caracté- risé en ce que le joint homocinétique est un joint à billes dont l'élément intérieur ( 3) présente plusieurs pergages ajours ou autres ouvertures ( 3 d) répartis circonférentiellement dans la zone de l'élé- ment extérieur antagoniste ( 2) pour le passage de billes ( 4) guidées dans les chemins de roulement ( 2 a) de l'élément extérieur ( 2) du joint et appuyées les unes contre les autres ou sur une bague ( 5) disposée dans l'élément intérieur ( 3) du joint. 6 Arbre articulé selon la revendication 4, caracté- risé en ce que l'élément intérieur du joint tripode présente plusieurs perçages, ajours ou autres ouvertures ( 9) répartis circonférentielle- ment dans la zone des parties en forme de doigt ou de tulipe (lla) de l'élément extérieur ( 11) du joint pour le passage des touril- lons ( 10) devant recevoir des éléments de roulement ( 8) en segment ou calotte sphérique. 7 Arbre articulé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les perçages, ajours ou autres ouvertures ( 3 d, 9) sont garnis de douilles métalliques ( 7) servant au guidage des billes ( 4) ou des tourillons ( 10). 8 Arbre articulé selon la revendication 5, caracté- risé en ce que la surface radialement extérieure (Sa) de la bague ( 5) d'appui des billes ( 4) présente un profil légèrement concave en coupe axiale. 9 Arbre articulé selon la revendication 2, caracté- risé en ce que le pli ( 3 b) se raccorde à une partie de jonction sous forme d'une bride ( 3 c), d'une partie tubulaire dont l'intérieur ( 3 f) présente une cannelure ( 3 e) parallèle à l'axe, ou d'une partie de jonction semblable.