Brevet FR2591687A1 — publié le 19870619

"Joint universel de cardan pour un arbre articulé".- La présente invention concerne un joint universel pour un arbre articulé notamment pour trans- mettre des couples importants, comportant une moitié de joint menante et une moitié de joint menée, joint articulé dans lequel les deux moitiés de joint comportent chacune deux paliers qui sont diamétralement alignés et dont les axes sont perpendiculaires à l'axe de rota- tion du joint, les deux moitiés de joint sont reliés par un croisillon comportant deux paires de tourillons prévues radialement sur une pièce centrale, opposes l'un à l'autre et alignés, les axes des deux paires de tourillons étant perpendiculaires l'un à l'autre dans la direction de l'axe de rotation, et une paire de tou- rillons est logée de manière articulée dans les paliers d'une moitié de joint et l'autre paire de tourillons est logée dans les paliers de l'autre moitié de joint. Un tel arbre articulé connu selon le brevet DE-PS 26 25 960. Selon ce document, on connaît des moyens permettant d'augmenter le couple susceptible d'tre transmis par un joint universel pour un diamètre de rotation déterminé. La capacité de transmission d'efforts et la fiabilité d'un arbre articulé dépendent des pièces suivantes, à savoir de la résistance du croisillon, de la résistance des paliers et de la résistance des fourches de joint situées sur l'arbre et qui reçoivent les paliers. L'homme de métier sait qu'il est possible par une forme optimale donnée au croisillon ainsi qu'au palier constitue en général par des paliers à roulement, d'obtenir une résistance plus élevée par une conception avantageuse. Les deux moitiés de joint réalisées en forme de fourche constituent toutefois un point faible dans les joints universels de construc- tion connue. La raison en est principalement la forme de fourche de cette pièce. Les oeillets de palier qui entourent le croisillon s'étendent axialement et radialement en partant d'une pièce de base.-Il en résulte une force périphérique induite sous l'effet du couple, entre l'oeillet de palier et le corps de base en général en forme de bride, les zones de fourche du joint, qui sont alors soumises à la fois à des contraintes de flexion et des contraintes de torsion. Les contraintes de flexion agissent à la fois dans la direction péri- phérique et dans la direction radiale du fait des forces d'inertie exercées par l'arbre sur les oeillets de palier ou les paliers qui s'y trouvent. L'oeillet de palier lui-même est également soumis à des contraintes dans la direction périphérique, par rapport à l'axe de rotation de l'arbre articulé, ainsi qu'à des.poussées et des forces de cisaillement, surtout lorsque l'angle de fléchissement de l'articulation augmente; en outre les forces d'inertie et les forces centrifuges, ainsi que des accélérations transversales agissent comme par exemple dans les laminoirs. Pour transmettre un couple important, souvent la seule solution consiste à recourir à un joint de plus grande dimensions et dont les pièces sont sollicitées différemment, c'est-à-dire que ces pièces sont en partie surdimensionnées. Cela se traduit en outre, par un couple plus important et un plus grand encombrement. La présente invention a pour but de créer un joint universel de cardan pour un arbre articulé servant à transmettre également des couples importants pour un diamètre de rotation déterminé, notamment pour des applications utilisant un faible angle de fléchissement et de faible vitesse de rotation, tout en remédiant aux inconvénients mentionnés ci-dessus et concernant les contraintes. A cet effet, l'invention concerne un joint universel du type ci-dessus caractérisé en ce que les deux moitiés de joint du joint universel sont tubulaires et ont une section essentiellement cylindrique circu- laire, les paliers sont prévus au voisinage de la face frontale des moitiés de joint tournées vers le milieu du joint, les tourillons du croisillon sont prévus sur sa pièce centrale de façon que vu dans la direciton de l'axe de rotation, les axes perpendiculaires des deux paires de tourillons ont une distance axiale le long de l'axe de rotation du joint universel. Selon l'invention les deux moitiés de joint ont une forme tubulaire avec une section essen- tiellement en forme d'anneau de cercle dans la zone des alésages de réception des paliers recevant les tourillons du croisillon jusqu'à la face frontale tournée vers le milieu du joint universel. Les paliers euxmêmes sont situés au voisinage de la face frontale de chaque moitié de joint universel. Les tourillons qui sont alignés par paire sur le croisillon sont prévus sur la pièce centrale de façon que les deux axes perpendiculaires entre eux correspondant aux deux paires de tourillons présentent une certaine distance axiale dans la direction de l'axe de rotation du joint. Il est connu en soit de réaliser un croisillon à tourillons dont les plans des croisillons soient décalés (DE-OS 28 41 955). Le décalage axial des axes des tourillons n'est pas créé dans le cas mentionné ci-dessus pour un croisillon ayant les caractéristiques particulières quant àsa résistance de structure, mais les perçages co-axiaux passant par les axes des touril- lons doivent se couper pour arriver à une direction d'écoulement, prédéterminée pour l'agent de graissage. De ce fait, le décalage axial entre les axes des tourillons est très faible par rapport au diamètre des tourillons. Ce moyen n'a pas recherché d'autres consé- quences quant à la résistance et à la cinématique. On connait selon DE-OS 33 21 351, un arbre à articulation dans lequel seulement l'une des deux moitiés de joint présentent une forme tubulaire au niveau des oeillets de palier pour recevoir les paliers. Cette extrémité d'une moitié de joint, de forme analogue à une forme tubulaire, est toutefois réalisée comme d'habitude sous la forme d'une fourche de joint et est ainsi soumise aux contraintes gênantes,connues résultant des efforts de flexion et de torsion. Le montage d'un étrier de renforcement entre les deux oeillets de paliers doit remédier à cela pour absorber les efforts dirigés transversalement à l'axe de rotation. L'exi- gence formulée à ce moment pour avoir un angle de flé- chissement important nécessite toutefois une réalisation en forme de fourche à la fois pour l'étrier de renfor- cement et pour les autres moitiés de joint qui sont réalisées comme pour l'arbre à joint du DE-OS 31 15 659, c'est-à-dire une réalisation en forme de fourche présen- tant les inconvénients explicités ci-dessus relatifs à la résistance de la structure. Vis-à-vis de cela, dans le Joint articulé de l'invention, les deux moitiés de joint sont de forme tubulaire sur toute leur périphérie jusqu'au voisinage du milieu du joint. Le décalage axial des axes de tourillon au niveau du croisillon est ainsi supérieur au diamètre des paliers. Du fait que chaque moitié de joint présente une section annulaire fermée dans le plan des deux joints, les alésages de réception et les zones environnantes ne sont pas soumises aux contraintes de flexion et de poussée comme les moitiés de joint universel à structure en forme de fourche. L'avantage en est que les moitiés de joint peuvent être dimensionnées de façon moins encombrantes et de permettre le montage d'un croisillon ayant une capacité de transmission de couple déterminée et des paliers adaptés pour les moitiés de joint, l'ensemble demandant moins de place et étant moins lourd que les moitiés de joint connus en forme de fourche. Il est connu qu'un croisillon à tourillons non situé dans un plan présente des inconvénients du point de vue cinématique lorsque l'arbre articulé est fléchi par rapport à la position alignée. Pendant la rotation, on a une alternance fréquente du pâle de rotation instantané c'est-à-dire des plans de rotation du croisillon. Il en résulte des efforts de cisaillement et des accélérations supplémentaires exercées sur le croisillon, sur les paliers et les deux moitiés de joint, ainsi que sur l'arbre articulé ente les deux articulations. Ces inconvénients sont d'autant plus accentués que l'angle de fléchissement et la vitesse de rotation sont importants. Le joint universel selon l'invention convient ainsi pour des arbres articulés qui sont de préférence utilisés pour la transmission de couple impor- tant à de faible vitesse de rotation et de faibles angles de fléchissement, ainsi que pour une grande rigidité de rotation de la ligne de transmission. De telles applications existent dans la construction de grande machine, par exemple pour compenser des tolé- rances de fabrication et de montage, des fléchissements en charge, ou de faible mouvement relatif entre la partie menante et la partie menée de l'arbre articulé. Dans le cas d'anglesde fléchissement au maximum égaux à 3 , on peut dans de nombreux cas négliger l'effet de l'erreur cinématique engendrée par le décalage axial au niveau du croisillon au profit d'une transmission de couple particulièrement importante par rapport aux dimensions du Joint universel. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la pièce centrale du croisillon se compose d'un corps essentielleemnt symétrique en rotation par rapport àl'axe de rotation, dans la partie comprise entre les paires de tourillons distantes de la distance axiale. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les tourillons du jont ont la même longueur radiale. Suivant une autre caractéristique de l'invention les paliers sont susceptibles d'être logés dans des perçages de réception annulaires, fermés, dans les moitiés de joint tubulaires. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'épaisseur de la paroi des moitiés de joint tubulaires au niveau des paliers est supérieure à l'épais- seur dans les autres parties tubulaires des moitiés de Joint. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le diamètre extérieur des moitiés de jont - tubulaires correspond pour l'essentiel au diamètre de rotation déterminé par les paliers des tourillons. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les deux moitiés de jont ont le même diamètre extérieur. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les moitiés de jont sont reliées par une liaison amovible solidaire en rotation aux pièces adja- centes, la liaison se composant d'éléments dont le diamètre extérieur n'est pas supérieur au diamètre extérieur des moitiés de joint tubulaires. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les moitiés de joint ont des surfaces frontales coniques constituant des surfaces de butée limitant l'angle de fléchissement. La présente invention sera décrite de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale d'un joint universel de cardan selon l'invention; - la figure 2 est une coupe transversale d'un joint universel selon la figure 1, la moitié gauche étant une coupe du croisillon et la moitié droite une coupe des tourillons et des paliers. La figure 1 montre un joint universel de cardan 1 d'un arbre à cardan comprenant deux moitiés de joint 2, 3 qui sont reliées par un croisillon à tourillon 6. Les moitiés de joint 2, 3 ont des faces frontales 14 tournées vers le milieu 5 du joint de forme essentiellement tubulaire; chaque moitié comporte deux paliers 4 recevant deux paires de tourillon 7, 8 du croisillon 6 du joint. Les axes 10, 11 des paires de tourillon 7, 8 sont perpendiculaires entre eux et ont une distance axiale a, par rapport à l'axe de rotatior]2 de l'articulation. Entre les faces frontales 14 des deux moitiés de joint universel 2, 3, il subsiste un intervalle pour permettre le fléchissement des moitiés de joint autour de l'axe de la paire de tourillons qui s'y trouve. La transmission d'un couple se fait dans la zone essentiellement en forme d'anneau circulaire de la section des moitiés de joint universel qui sont alors principalement sollicitées en torsion. Les alésages de réception 13 des paliers 4 ne sont pas entourés de l'oeillet de palier d'une fourche comme cela est connu et qui est relié à l'arbre par une zone sollicitée en flexion, mais au contraire par un composant massif des moitiés de joint, c'est-à-dire la zone péri- phérique entre les paliers 4. Cela permet une transmission avantageuse des efforts dans les paliers et assurent la résistance voulue à la rotation pour le Joint uni- versel. L'épaisseur de paroi de la partie tubu- laire des moitiés de joint est supérieure au niveau des paliers 4 pour arriver à une transmission aussi régulière que possible des efforts dans l'arbre cylindrique des paliers 4. Cela réduit la déformation de la cage extérieure des paliers 4 et augmente la résistance et la durée de vie de l'ensemble des paliers. Les paliers 4 peuvent être mis en place radialement à partir de l'extérieur comme cela est connu et être bloqués après avoir enfilé les tourillons 7, 8 du croisillon 6 à partir des faces frontales 14 des moitiés de joint 2, 3. La figure 2 montre dans sa moitié gauche une coupe transversale du coeur 9 du croisillon 6. On reconnaît que la section sollicitée en torsion présente une forme essentiellement symétrique en rotation. La moitié droite de la figure 2 est une coupe du joint au niveau du tourillon 8 et du palier 4. Etant donné le décalage axial des plans des tourillons du croisillon 6, le jont 1 ne s'utilise que pour des applications correspondant à un faible angle de fléchissement, en tenant compte d'un léger défaut cinématique. Pour cela on peut utiliser comme surface de butée les faces frontales 14 des moitiés de joint universel 2, 3 tournées vers le milieu 5 du joint. Les faces frontales 14 ont des surfaces coniques 15 comme cela est représenté à la figure 1, pour que lors du fléchissement maximum et lors du contact des faces frontales 14, on obtienne un appui sur des surfaces importantes. La position des moitiés de joint 2 pour le fléchissement maximum est représentée en traits mixtes, à gauche, à la figure 1. Les deux moitiés de Joint 2, 3 peuvent être reliées aux composants adjacents par une liaison à rotation 16 amovible. Pour cela on peut envisager à la fois une liaison vissée comme celle dessinée à la figure 1 pour la moitié de joint 2, mais également en particulier une liaison par la forme. Selon la figure 1, la moitié de joint 3 à l'extrémité du côté de l'arbre est reliée à une bride 18 par une denture frontale 17, la bride ayant la même denture. Comme cela est connu en soi, les deux pièces ou parties à relier peuvent comporter des collets radiaux 19 entourés par une coupelle 20 à serrage axial, en deux parties, frêtés à chaud. L'avantage de ce mode de réalisation est que le diamètre de rotation D prédéterminé par le croisillon 6 et les paliers 4 du joint n'est pas augmenté-par une iiaison entre le joint et l'arbre. L'invention crée un joint universel dont toutes les pièces,-en particulier les deux moitiés de Joint sont réalisées pour résister aux contraintes et présenter l'encombrement le plus réduit. REVENDICATIONS 1 ) Joint universel de cardan pour un arbre articulé notamment pour transmettre des couples importants, comportant unemoitié de joint menante et une moitié de Joint menée, joint articulé dans lequel: a) les deux moitiés de Joint comportent chacune deux paliers qui sont diamétralement alignés et dont les axes sont perpendiculaires à l'axe de rota- tion du Joint, b) les deux moitiés de joint sont reliés par un croisillon comportant deux paires de tourillons prévues radialement sur une pièce centrale, opposés l'un à l'autre et alignés, les axes des deux paires de touril- lons étant perpendiculaires l'un à l'autre dans la direc- tion de l'axe de rotation, et une paire de tourillons est logée de manière articulée dans les paliers d'une moitié de joint et l'autre paire de tourillons est logée dans les paliers de l'autre moitié de joint, joint universel caractérisé en ce que: c) les deux moitiés de joint (2,. 3) du joint universel sont tubulaires et ont une section essentiellement cylindrique circulaire; d) les paliers (4) sont prévus au voisinage de la face frontale (18) des moitiés de joint (2, 3) tournées vers le milieu du joint (5); e) les tourillons (7,8) du croisillon (6) sont prévus sur sa pièce centrale (9) de façon que vu dans la direction de l'axe de rotation, les axes perpen- diculaires (10,11) des deux paires de tourillons ont une distance axiale (a) le long de l'axe de rotation (12) du joint universel (1). 2 ) Joint universel selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce centrale (9) du croisillon (1) se compose d'un corps essentiellement symétrique en rotation par rapport à l'axe de rotation, dans la partie comprise entre les paires de tourillons (7,8) distantes de la distance axiale (a). 3 ) Joint universel selon la revendication 2, caractérisé en ce que les tourillons (7,8) du joint (1) ont la même longueur radiale (s). 4 ) Joint universel selon la revendication 1, caractérisé en ce que les paliers (4) sont suscep- tibles d'être logés dans des perçages de réception (13) annulaires, fermés, dans les moitiés de joint (2, 3) -10 tubulaires. ) Joint universel selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce que l'épaisseur de la paroi des moitiés de joint (2, 3) tubulaires au niveau des paliers (4) est supérieure à l'épaisseur dans les autres parties tubulaires des moitiés de joint. 6 ) Joint universel selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le diamètre extérieur (D)des moitiés de joint (2, 3) tubulaires cor- respond pour l'essentiel au diamètre de rotation déterminé par les paliers (4) des tourillons (7, 8). 7 ) Joint universel selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les deux moitiés de joint (2, 3) ont le même diamtère.extérieur (D). 8 ) Joint universel selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caracérisé en ce que les moitiés de joint (2, 3) sont reliées par une liaison amovible (16) solidaire en rotation aux pièces adjacentes, la liaison (16) se composant d'éléments dont le diamètre extérieur n'est pas supérieur au diamètre extérieur (D) des moitiés de joint tubulaires. 9 ) Joint universel selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moitiés de joint (2, 3) ont des surfaces frontales (15) -35 coniques constituant des surfaces de butée limitant l'angle de fléchissement.