Brevet FR2578015A1 — publié le 19860829

[ La présente invention concerne un joint universel destiné à permettre un raccordement transmettant un couple entre des organes menant et mené qui, pendant l'utilisation, présentent une articulation relative, c'est-à-dire un dépla- cement angulaire de leurs axes de rotation. L'invention a été mise au point dans le cas d'un joint universel con- venant à une direction inclinable de véhicule à moteur. On a déjà proposé des joints universels dans les- quels un couple est transmis entre des organes menant et mené par plusieurs billes qui coopèrent en partie avec des cavités formées dans un organe interne du joint et en partie avec des cavités formées de manière rectiligne dans un organe externe du joint. De tels joints universels sont décrits par exemple dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n 4 425 101 et 2 910 845, alors que le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 156 354 représente un joint dans lequel des corps partiellement sphériques de transmis- sion de couple sont utilisés. Dans ces joints universels, les centres des billes se trouvent dans un plan qui est perpendiculaire à l'axe de rotation de l'organe interne du joint et, lorsque les joints présentent une articulation, ce plan n'est pas perpendiculaire à l'axe de rotation de l'organe externe du joint. Lorsque les joints sont articulés, les billes roulent le long des cavités de l'organe externe mais, comme les cavités de l'organe externe sont rectili- gnes et parallèles à son axe, les distances de pénétration des billes dans les cavités sont réduites. A un certain degré d'articulation d'un joint, par exemple de l'ordre de huit degrés par rapport à la position alignée des organes du joint, la coopération des billes avec les cavités de l'organe externe est réduite à un point tel qu'il y a suffisamment de jeu et de liberté pour que les caractéris- tiques de fonctionnement du joint ne puissent plus être régulières. Certaines applications des joints universels néces- sitent une conservation des caractéristiques régulières de fonctionnement du joint dans une plage d'articulation bien plus grande que huit degrés environ comme indiqué. Par exemple, les arrangements inclinables des directions des véhicules à moteur présentent une articulation de l'or- dre de trente cinq degrés et, lorsqu'un joint universel doit être utilisé dans une telle direction, il doit garder ses caractéristiques régulières de fonctionnement pour des articulations aussi importantes. En outre, dans une telle application, le couple qui doit être transmis par le joint universel est relativement faible, si bien qu'il est important que le joint universel soit petit et de fabri- cation relativement peu coûteuse. Des propositions ont déjà été faites pour la résolu- tion de ce problème. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 424 473 décrit une direction inclinable ayant un joint universel dans lequel les cavités de coopération avec les billes formées dans l'organe externe du joint paraissent avoir la forme d'arcs de cercle de rayon fixe. La demande de brevet britannique n 2 115 523 décrit un joint univer- sel ayant une cavité curviligne dans l'organe externe, et le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 070 872 décrit une telle configuration des cavités du joint externe dans un joint universel à quatre billes. Dans ces joints, étant donné les ouvertures limitées formées à l'extrémité des organes externes des joints, il est nécessaire d'usiner les cavités à l'intérieur si bien que le coût de fabrication est augmenté par rapport à celui d'un joint ayant un organe externe dans lesquels les cavités peuvent être formées sans aucun usinage, par exemple par formage à froid. En outre, la configuration circulaire des cavités coopérant avec les billes dans ces organes externes, ne correspond pas à une configuration optimale ou même se rapprochant d'une configuration optimale. Sous l'action du couple ou pour d'autres raisons, l'une des billes de l'organe interne du joint a tendance à rester au contact de l'une des cavités de l'organe externe, augmentant ainsi la tendance de l'autre bille ou des autres billes à s'écar- ter des cavités respectives formées dans l'organe externe. Z578015 La présente invention a pour objet la réalisation d'un joint universel ne présentant pas ces inconvénients ou les réduisant au moins. En particulier, le joint travail- le avantageusement d'une manière régulière lorsqu'il est articulé, avec un jeu faible ou nul, et il permet une arti- culation avec très peu d'efforts, tout en pouvant être fabriqué à un faible prix et en occupant un espace minimal. Le joint universel destiné à transmettre un couple, selon l'invention, comporte un organe externe ayant plusieurs cavités qui y sont formées, un organe interne ayant un dispositif à cavité qui y est formé, les organes externe et interne pouvant présenter un déplacement angulaire d'articulation l'un par rapport à l'autre, et un dispositif de transmission de couple placé entre le dispositif à cavité formé dans l'organe interne du joint et les cavités de l'organe externe, la configuration de chacune des cavités de l'organe externe, dans un plan con- tenant la cavité et l'axe central de l'organe étant curvi- ligne sur la plus grande partie au moins de son étendue si bien qu'une coopération sans jeu du dispositif de trans- mission de couple est obtenue à l'intérieur sur une plage d'articulation nettement supérieure à huit degrés par rapport à la condition d'alignement. Dans un joint selon l'invention, la configuration curviligne des cavités de l'organe externe assure une coo- pération pratiquement totale et relativement constante du dispositif de transmission de couple placé dans les cavités pendant l'articulation du joint. A cet effet, la configuration curviligne est une configuration complexe ayant un rayon de courbure qui n'est pas constant sur sa longueur, afin qu'un fonctionnement satisfaisant soit con- servé pour des angles d'articulation pouvant atteindre environ 35 . De préférence, la configuration curviligne est telle que les cavités ne présentent pas de détalonnement par rapport à l'extrémité ouverte de l'organe externe, si bien que cet organe peut être fabriqué par un procédé ne nécessitant aucun usinage par enlèvement de matière, par exemple par une opération de formage à froid. Le dispositif de transmission de couple peut com- prendre plusieurs billes, chaque bille étant au contact d'une autre bille, les centres se trouvant dans un plan qui est perpendiculaire à l'axe central de l'organe interne. De préférence, le joint comporte deux billes diamétralement opposées dans l'organe interne. Les organes externe et interne du joint ont de préférence des surfaces partiellement sphériques en contact mutuel, permettant une articulation mutuelle et permettant au joint de transmettre des forces longitudinales en plus d'un couple. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'un joint universel de la technique antérieure, dans lequel les organes du joint sont alignés axialement l'un sur l'autre; la figure 2 est un schéma du joint universel de la figure 1, lorsque les organes du joint ont été déplacés l'un par rapport à l'autre par articulation, cette figure illustrant le problème posé par un tel joint; la figure 3 est une coupe longitudinale d'un mode de réalisation d'un joint universel selon l'invention; la figure 4 est une coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 3; la figure 5 est une coupe suivant la ligne 5-5 de la figure 3; et la figure 6 est analogue à la figure 5 et repré- sente une variante de l'invention. L'arrangement schématique représenté sur la figure 1 comporte un joint universel portant la référence générale U. Ce joint universel U comporte un organe interne I et un organe externe 0. De l'énergie ou un couple est transmis entre l'organe interne I et l'organe externe 0 du joint par exemple de l'organe interne I à l'organe externe O, par deux billes B. Celles-ci coopèrent partiellement avec des cavités IR de l'organe interne I et partiellement avec des cavités rectilignes OR formées dans l'organe externe 0 et elles sont libres de rouler dans ces cavités IR et OR. Le plan passant par les centres des billes B et perpendiculaire au plan du dessin, dans un joint universel à deux billes, est normalement perpendiculaire à l'axe central de l'organe interne I et il est aussi perpendicu- laire à l'axe central de l'organe externe O lorsque l'organe interne I et l'organe externe O sont 'alignés comme repré- senté sur la figure 1. Cependant, lorsque l'organe interne I a été articulé par rapport à l'organe externe O comme indiqué sur la figure 2, le plan précité passant par les centres des billes tourne en arc de cercle par rapport à l'axe central de l'organe externe O si bien que la profon- deur de pénétration de l'une des billes, la bille supérieure sur la figure 2, dans la cavité rectiligne OR diminue d'une distance déterminée indiquée par la référence S sur la figure 2. Dans le pire des cas, la totalité de l'ouverture formée entre les billes B et les cavités rectilignes OR apparaft à l'emplacement de l'une des cavités rectilignes OR parce que l'organe interne I est libre de se déplacer verticalement par rapport à l'organe externe O sous l'action du couple ou d'autres forces auxquelles il est soumis. Cette ouverture du joint pendant l'articulation permet aux éléments du joint universel U qui sont normalement en contact de se séparer mutuellement et perturbe la trans- mission sans jeu du couple entre l'organe interne I et l'organe externe U, si bien que les joints ayant des cavités rectilignes externes OR comme représenté sur les figures 1 et 2, sont limités à environ huit degrés d'articulation à faible jeu latéral, dans toutes les directions. Un mode de réalisation préféré de l'invention con- cerne un joint universel représenté sur les figures 3 à et portant la référence générale 11. Le joint universel 11 comporte un organe interne 12 et un organe externe 13. Le joint 11 comporte aussi plusieurs billes 14, deux de préférence comme représenté. Un plus grand nombre de billes 14 peut aussi être utilisé le cas échéant mais, -dans le cas des joints universels transmettant un faible couple tels que les joints universels des directions inclinables d'automobiles, deux billes 14 sont préférables afin que le coût du joint universel soit réduit. Les centres des billes 14 se trouvent dans un plan qui est perpendiculaire à l'axe central de rotation de l'organe interne 12 et per- pendiculaire au plan du dessin. Les billes 14 sont contenues en partie dans une cavité 16 passant dans l'organe interne 12 et chaque bille est partiellement contenue dans une cavité 17 qui pénètre dans l'organe externe 13 du joint. Chaque bille 14 est libre de rouler ou de tourner dans la cavité 16 et dans sa cavité 17, et cette rotation est provoquée par l'articulation de l'organe interne 12 par rapport à l'organe externe 13 dans le sens de la flèche A comme indiqué sur la figure 3. Le joint universel 11 est aussi libre de pivoter perpendiculairement à la direc- tion d'articulation représentée sur la figure 3, comme représenté par la flèche A-A sur la figure 4. Cette articu- lation est permise par formation de parties coopérantes de forme complémentaire à surface partiellement sphérique 12a et 13a, comme représenté plus clairement sur les figures 4 et 5. Le contact entre surfaces des parties 12a et 13a de surface permet aussi au joint universel de travailler de façon satisfaisante lorsqu'il est soumis à des forces appliquées en bout entre l'organe interne 12 et l'organe externe 13. Comme représenté plus clairement sur la figure 3, chacune des cavités 17, dans le plan coaxial passant par cette cavité, a une configuration curviligne qui réduit sa profondeur radiale et la distance mesurée à partir de l'axe central de l'organe externe 13, lors de la progres- sion de l'extrémité ouverte de l'organe externe à l'inté- rieur de celui-ci, vers l'arrière. Cette configuration 780 15 est destinée à permettre une pénétration pratiquement com- plète de la bille 14 dans la cavité 17 lorsque l'organe interne 12 et l'organe. externe 13 présentent une articula- tion mutuelle dans le sens de la flèche A. Ceci assure le maintien du contact entre les billes 14 et entre chaque bille 14 et sa cavité respective 17 et élargit la plage d'articulations dans laquelle le joint universel 11 conserve ses caractéristiques de travail régulier ou à faible jeu. De préférence, la configuration de la cavité 17 suit une courbe de rayon décroissant progressivement à partir d'un rayon maximal à l'extrémité ouverte de l'organe externe 13, en coopération avec les billes 14, lorsque les organes interne et externe 12 et 13 sont alignés, et une valeur d'environ 0,64 fois ce rayon maximal, pour un angle d'arti- culation de trente cinq degrés. Ceci facilite aussi le maintien des billes 14 en compression dans toutes les posi- tions comprises dans la plage d'articulation afin que le jeu radial soit minimal dans le joint universel et per- mette une régularité maximale du fonctionnement. Cette configuration de chacune des cavités 17 permet aussi à l'organe externe d'être fabriqué d'une manière relativement peu coûteuse, par exemple, dans le cas d'un joint métallique externe 13, par formage à froid (puisque l'organe externe du joint n'a pas une configuration détalonnée, à partir de son extrémité ouverte), et cette configuration élargit notablement la plage d'articulation du joint universel 11 sans perte de ses caractéristiques de fonctionnement sans jeu. Bien qu'une paire de billes 14 soit préférable pour la transmission du couple entre les deux cavités 17 de l'organe externe 13 et la cavité 16 de l'organe interne 12, il faut noter que d'autres dispositifs peuvent être utilisés à cet effet. Par exemple, comme représenté sur la figure 6, une broche unique 114 ayant des extrémités partiellement sphériques peut être utilisée. Plus de deux billes, empilées comme représenté dans-la demande de brevet britannique n 2 115 523, peuvent aussi être utilisées. Lors du montage du joint universel 11, lorsque l'organe interne 12 et les billes 14 ont été placées dans l'organe externe 13, ils y sont retenus par une bague 18 qui s'enclenche élastiquement dans une cavité circonféren- tielle 19 formée à l'extérieur de l'organe externe 13. L'or- gane interne 12 qui a une configuration mâle a une ouverture transversale 21 destinée au passage d'un axe ou d'un boulon permettant le raccordement à un organe femelle non représenté du train de transmission dans lequel le joint universel 11 est utilisé. L'organe externe 13 qui a une configuration femelle a aussi une ouverture transversale 22 qui le traverse et qui permet le raccordement de l'organe externe 13 à un organe mâle non représenté incorporé au train de transmission. Dans une direction inclinable d'automobile, le joint univer- sel est de préférence utilisé d'une manière telle que l'organe interne 12 est raccordé du côté du volant de la direction et l'organe externe 13 est raccordé du côté du mécanisme mené ou de direction. Les divers éléments du joint universel 11, c'est- à-dire l'organe interne 12, l'organe externe 13 et les billes 14, peuvent être formés d'acier ou d'une autre subs- tance métallique convenable. Cependant, les couples transmis par le joint universel d'une direction inclinable sont rela- tivement faibles, et il peut être rentable de réaliser un ou plusieurs de ces éléments en un matériau non métallique, par exemple un polymère thermodurcissable dur ou un matériau tel qu'un "Nylon" qui convient. En fait, tout matériau qui a un module d'élasticité inférieur à l'acier convient et il est donc plus facile de maintenir les billes du joint universel en compression lorsque les billes et/ou L'organe interne et/ou 'l'organe externe sont formés d'un matériau non ferreux tel qu'un matériau polymère. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux joints universels qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Joint universel destiné à transmettre un couple, caractérisé en ce qu'il comprend un organe externe (13) ayant plusieurs cavités (17) qui y pénètrent, un organe interne (12) ayant un dispo- sitif (16) à cavité, les organes externe et interne pouvant présenter un déplacement angulaire par articulation l'un par rapport à l'autre, et un dispositif (14) de transmission de couple, placé entre le dispositif (16) à cavité de l'organe interne (12) et les cavités (17) de l'organe externe (13), la configura- tion de chaque cavité de l'organe externe, dans un plan contenant la cavité et l'axe central de l'organe, étant curviligne sur la plus grande partie de son étendue si bien que la coopération du dispositif de transmission de couple avec les cavités ne présente pas de jeu sur une plage d'articulation nettement supérieure à huit degrés par rapport à la position d'alignement. 2. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe externe (13) comporte deux cavités (17), et le dispositif de transmission de couple comporte une broche (114) placée transversalement à l'organe interne et ayant des extrémités partiellement sphériques coopérant avec les cavités (17). 3. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de transmission de couple comporte plusieurs billes (14), les billes étant en contact mutuel et les centres de billes se trouvant dans un plan perpendi- culaire à l'axe central de l'organe interne (12). 4. Joint selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'organe externe (13) comprend deux cavités (17), et le joint comporte deux billes (14) diamétralement oppo- sées dans l'organe interne (12). 5. Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la configuration de chacune des cavités (17) correspond à une courbe dont le rayon diminue d'une valeur maximale à l'endroit de la coo- pération avec le dispositif de transmission de couple (14) lorsque les organes sont alignés, à un rayon plus faible à l'endroit de la coopération lorsque les organes du joint sont totalement articulés dans un sens. 6. Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la configuration de chacune des cavités (17) est telle qu'elle assure une coopé- ration sans jeu sur une plage d'articulation au moins égale à trente cinq degrés environ. 7. Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les organes interne et externe (12,13) ont des surfaces partiellement sphériques complémentaires permettant l'articulation et la transmis- sion de forces en plus du couple. 8. Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe externe (13) est métallique et est formé par une opération de formage à froid.