Brevet FR2617254A1 — publié le 19881230

Joint de cardan pour arbre articulé La présente invention concerne un joint de cardan pour arbre articulé, notamment pour la transmission de couples élevés, comportant des moitiés de joint menante et menée et dans lequel les deux moitiés de juint sont reliées entre elles de façon articulée, à savoir à l'aide, pour chacune d'elles, de deux tourillons disposés dans des sens opposés et alignés entre eux, et dont les axes sont perpendiculaires à l'axe de rota- tion du joint de cardan, et à l'aide d'un élément intermédiaire, ainsi que d'ensembles-pallers qui sont disposés entre les tourillons et l'élément intermédiaire dans la zone radialement extérieure des moitiés de joint, les deux axes des tourillons et des ensembles-paliers étant situés à une certaine distance axiale (a) l'un de l'autre le long de l'axe de rotation du joint. Un joint de cardan de ce type est connu d'après la demande de brevet allemand publiée 2.734.U48 (brevet US 4.166.366). Dans cette publi- cation, on se réfère d'abord aux joints de cardan classiques qui compren- nent un élément intermédiaire formé d'un croisillon dont les quatre touril- lons se trouvent tous dans un plan unique perpendiculaire à l'axe. D'après la description concernant la figure 1, on a cherché à accroître sur de tels joints de cardan le couple transmissible (pour un diamètre d'encombrement en rotation D qui est préfixé) en donnant la valeur la plus élevée possible au diamètre (d) des tourillons. I1 en résultait toutefois qu'on devait réduire l'angle admissible de pliage, mesure qui n'est applicable que dans certaines limites. On ne voyait donc plus aucune possibilité d'accroître les capacités des joints de cardan classiques en ce qui concerne le couple. C'est pourquoi il est proposé dans cette publication d'écarter par paires les quatre tourillons les uns des autres suivant la direction de l'axe de rotation et de ne plus leur associer l'élément intermédiaire, mais les deux moitiés de joint, de sorte qu'on pouvait prévoir des diamètres de tourillon (d) encore plus grands. D'une manière plus précise, le joint de cardan connu comprend deux moitiés de joint qui sont fixées respectivement sur la partie de machine menante et la partie de machine menée. Ces moitiés de joint sont en forme d'arceaux dans lesquels est monté un tourillon d'entraînement. Les tourillons des deux moitiés de joint sont réunis de manière articulée entre eux à l'aide d'un élément intermédiaire essentiellement en forme de disque et de paliers fixés sur celui-ci. Bien que l'avantage de cette structure soit la possibilité d'un montage simple, il existe par contrede nombreuses pièces montées individuellement et de nombreux joints d'assemblage qui participent l'un derrière l'autre à la transmission des efforts. Cela confère à l'ensemble du joint de cardan un caractère antirigide et une déformabilité élevés, de sorte qu'il se présente le risque que les corps de roulement des paliers ne portent par moments que sur leurs arêtes et que par conséquent ces paliers s'usent prématurément. Par ailleurs, la structure en forme de disque de l'élément intermédiaire, avec les paliers qui sont vissés sur lui, entraîne, entre les deux axes des tourillons, une distance mesurée suivant la direction de l'axe de rotation du joint (grandeur P à la fig. 2 de la demande de brevet allemand) qui est relativement grande. I1 est connu que le fait de placer les tourillons axialement à distance les uns des autres par paires est toujours lié à l'inconvénient que l'un des deux arbres solidaires du joint de cardan doit exécuter un mouvement oscillant tant suivant la direction axiale que suivant la direction radiale. L'amplitude de ces mouvements oscillants est d'autant plus grande que la distance axiale entre les deux axes des tourillons est plus grande et que l'angle de pliage du joint de cardan est plus grand. Dans le cas de la demande de brevet allemand, on doit donc, du fait de la distance P importante, s'attendre à des mouvements dangereux d'oscillation, ou bien on doit limiter l'angle de pliage à une valeur relativement faible. La figure 3 ae la demande de brevet allemand illustre une tentative d'accroître les capacités du joint de cardan en ce qui concerne le couple en augmentant le diamètre (d) des tourillons (jusqu'à par exemple 30% du diamètre D d'encombrement en rotation) et en augmentant la longueur de portée de ces tourillons. D'après la description correspondant à cette figure, on donne à cet effet aux paliers une dimension en direction de l'axe de rotation du joint qui est plus grande par comparaison avec la figure 2, de sorte que ces paliers peuvent être assujettis plus rigidement à l'élément intermédiaire en forme de disque à l'aide d'un plus grand nombre de vis. Les mesures ainsi prises entraînent toutefois un affaiblis- sement considérable de la matière (ou "corps de base") qui relie les tourillons (40, 41) à la partie restante ("arceau lb") des moitiés de joint. Il ne se produit donc pas, ou pas dans une mesure notable, l'accroissement voulu des capacités du joint de cardan en ce qui concerne le couple. C'est pourquoi l'invention a pour but d'améliorer le joint de cardan connu de façon telle que, pour un diamètre préfixé d'encombrement en rotation, un couple le plus élevé possible puisse être transmis; on doit en même temps réussir à maintenir aussi faibles que possible les problèmes 26 1 7254 d'oscillation qui résultent de la distance axiale séparant les axes des tourillons. A cet effet, l'invention a pour objet un joint de cardan pour arDre articulé du type précité, caractérisé en ce que les tourillons sont des parties venues de matière avec les deux moitiés de joint, ce qui signi- fie que chacune de ces deux moitiés de joint est réalisée en une seule pièce avec ses deux tourillons, et en ce que l'élément intermédiaire reliant de manière articulée ces moitiés de joint est aussi réalisé en une seule pièce, offre une forme essentiellement annulaire, comporte des perça- ges traversant destinés au logement des ensembles-paliers et est en outre agencé de façon que les tourillons des moitiés de joint s'y insèrent à partir du côté qui est à l'intérieur dans le sens radial. Ainsi, dans un tel agencement, les tourillons sont solidaires des moitiés de joint en étant réalisés en une seule pièce avec celles-ci, par exemple en étant venus de matière avec elles, et l'élément intermé- dlaire présente une forme essentiellement annulaire et est aussi réalisé en une seule pièce. Cet élément intermédiaire offre des perçages radiaux de logement prévus pour les ensembles-paliers et est dimensionné de façon telle qu'on peut y insérer les moitiés de joint, par leurs tourillons, en passant par la zone située du côté intérieur dans le sens radial, tandis que c'est en passant par l'extérieur dans le sens radial qu'on peut mettre en place les ensemoles-paliers sur les extrémités des tourillons, et en même temps dans les perçages de logement indiqués de cet élément intermé- diaire. De cette manière, il est possible de réduire considérablement (par exemple à peu prés à la moitié) par rapport au joint de cardan connu la distance axiale séparant les axes des tourillons. De ce fait, on améliore d'une part la cinématique du joint de cardan, ce qui signifie que ne sont provoquées que des oscillations relativement faibles et donc maîtrisables. D'autre part, en coopération avec la structure en une seule pièce des moi- tiés de joint et de l'élément intermédiaire, les forces passent d'une manière plus favorable des moitiés de joint dans les tourillons et le couple est aussi transmis d'une manière plus favorable, à l'intérieur de l'élément intermédiaire annulaire, d'un ensemble-palier à l'autre. Ceci accroît nettement la rigidité de l'ensemble du joint de cardan et assure ainsi un accroissement de la résistance de portée des paliers. Grâce à la distance axiale réduite séparant les axes des paliers, il est aussi possi- ble d'utiliser le joint de cardan conforme à l'invention pour des cas d'application dans lesquels est exigé un angle de pliage plus important. Si on considère l'amélioration souhaitée pour la cinématique du 2 6 1 7 2 5 4 joint de cardan, il serait judicieux en soi de rendre la plus voisine de zéro que possible la distance axiale séparant les axes des tourillons. Ceci devrait toutefois se payer au prix d'une réduction du diamètre des touril- Ions (et donc du diamètre des perçages de logement prévus pour les ensembles-paliers) et par conséquent d'une réduction des capacités du joint en ce qui concerne le couple. Afin de résoudre ce problème supplémentaire, l'invention envisage donc de trouver un compromis, le diamètre (d) des tourillons pouvant être égal à environ 25 à 4UA, de préférence 30 à 35%, du diamètre (D) de l'encombrement en rotation et la distance axiale (a) séparant les axes des tourillons pouvant être égale à 15 à 35%, de préfé- rence 20 à 30%, de ce diamètre (D) de l'encombrement en rotation. Un a en effet contaté que, d'une part, une distance axiale relativement petite séparant les axes des tourillons ne provoque que des irrégularités relati- vement faibles, et donc maîtrisables, et que, d'autre part, elle permet de pouvoir placer dans l'élément intermédiaire annulaire quatre perçages de logement relativement grands destinés aux ensemoles-paliers. Un peut obte- nir des valeurs relativement faibles pour cette distance axiale séparant les axes des tourillons si on prévoit que les deux moitiés de joint compor- tent, dans la zone de l'axe de rotation du joint de cardan, des évidements concaves tournés l'un vers l'autre. En prévoyant que la longueur de portée des tourillons, c'est- à-dire la longueur du chemin de roulement des paliers, est égale à environ 12 à 20%, de préférence 15 à 18% du diamètre (D) de l'encombrement en rota- tion et que l'épaisseur du corps de base des deux moitiés de joint, mesurée le long de l'axe des tourillons, est égale à environ 30 à 60%, de préfé- rence 4U à 5U5, de ce diamètre (D) d'encombrement en rotation (rapports de grandeurs qui s'écartent de ceux de la figure 3 de la demande de brevet allemand 2.734.U48), on a l'assurance que, d'une part, le "corps de base" des moitiés de joint est suffisamment épais pour pouvoir transmettre le couple qui se présente et que, d'autre part, les tourillons offrent néan- moins une longueur suffisante pour la transmission du couple. Supposons qu'au moins l'une des deux moitiés de joint soit rendue solidaire de l'élément structurel voisin à l'aide d'une bride et d'un certain nombre de vis parallèles à l'axe. Dans de nombreux cas d'application, c'est de cette manière qu'on fixe les deux moitiés de joint sur l'élément menant et l'élément mené. 11 s'agit dans ce cas de disposer la bride (ou les deux brides) à une distance la plus faible possible de l'élément intermédiaire, de façon que la longueur axiale du corps de base des moitiés de joint considérées soit la plus courte possible. Toutefois, le pliage du joint de cardan doit bien entendu être possible avec l'angle voulu de pliage. Afin de résoudre ce problème partiel, il peut être prévu que l'élément intermédiaire annulaire comporte deux évidements réalisés frontalement et disposés, suivant la direction circonférentielle, entre les perçages de logement prévus pour les ensembles-paliers. Ces évidements, situés sur la face frontale considérée de l'élément intermédiaire ou sur les deux faces frontales de celui-ci, permettent bien que la bride se trouve à faible distance - le pliage voulu du joint de cardan. Un tel agen- cement permet en même temps - en coopération avec les caractéristiques principales essentielles de l'invention - que la longueur hors tout du joint de cardan (mesurée par exemple de bride à bride) soit très courte. Ceci est important pour le cas de l'utilisation de deux joints de cardan conformes à l'invention sur un arbre articulé qui sert à réunir deux parties rotatives de machine qui sont situées à une certaine distance préfixée entre elles suivant la direction axiale et dont les axes sont décalés d'une distance préfixée entre eux. Dans ce cas, plus la longueur axiale des deux joints de cardan peut être rendue faible, plus l'angle de pliage est faible dans ces deux joints de cardan et plus les irrégularités se produisant encore (en raison de la distance indiquée séparant les axes de tourillons) sont faibles. Les caractéristiques supplémentaires indiquées ci-dessus offrent en outre des avantages en soi en ce qui concerne le montage, notamment l'espace nécessaire pour les vis qui servent à fixer la bride ou les deux brides sur les éléments structurels voisins. La longueur hors tout du joint de cardan peut encore être raccourcie si des vis servant à la fixation de la bride sur l'élément structurel voisin ne sont prévues que dans la zone des deux évidements, et si, dans le cas o la bride comporte un talon transversal qui s'emboîte dans une rainure de l'élément structurel voisin, ce talon transversal peut s'étendre d'une manière essentiellement parallèle à l'axe de tourillons voisin. I1 peut être prévu que le contour périphérique extérieur de l'élément intermédiaire annulaire ait une forme sensiblement cylindrique dans sa partie médiane et présente, dans la zone des perçages prévus pour les ensembles-paliers, des parties convergentes coniques s'étendant vers la face frontale, ce qui permet que, lors d'un pliage du joint de cardan, des parties de l'élément intermédiaire annulaire ne dépassent pas le diamètre d'encombrement en rotation. Les évidements frontaux déjà cités plus haut participent à l'obtention de ce résultat. Il peut être prévu que les ensembles-paliers comportent des 2 6 1 7254 couvercles de palier disposés du côté extérieur dans le sens radial, et que les deux couvercles associés aux tourillons d'une moitié de joint soient réunis entre eux à l'aide d'un tirant en forme de tige gui traverse un perçage s'étendant le long de l'axe longitudinal des tourillons correspon- dants. Cet agencement permet que tous les efforts éventuels se manifestant dans le joint de cardan en étant orientés perpendiculairement à l'axe de rotation de ce joint soient absorbés par le deux ensembles-paliers. Ceci entraîne une répartition uniforme de la charge à l'intérieur du joint de cardan. Il peut être prévu que les perçages de logement prévus dans l'élé- ment intermédiaire annulaire pour les ensembles-paliers offrent, pour les couvercles de palier, des épaulements de butée axiale sur lequels s'appuient les couvercles de palier en vue de transmettre les efforts transversaux indiqués. -L'invention va être exposée de manière plus détaillée en regard du dessin qui illustre un exemple de réalisation et sur lequel: la figure 1 représente une vue d'un joint de cardan conforme à l'invention, la figure 2 est une coupe suivant la ligne Il-II de la figure 1, la figure 3 est une coupe d'un exemple de réalisation analogue à celui des fig. 1 et 2 (plan de coupe sensiblement suivant la ligne III-III de la fig. 2) et la figure 4 est une coupe suivant la ligne IV-iV de cette fig. 2. Le joint de cardan est constitué de deux moitiés de joint I qui sont fixées, par exemple par des brides 2, sur les éléments structurels menant et mené 20 et 21. Ces moitiés de joint 1 comprennent, réalisés en une seule pièce avec elles, des tourillons 3 qui partent de la zone proche de l'axe de rotation 7 du joint, sont perpendiculaires à cet axe de rota- tion du joint et s'étendent radialement vers l'extérieur. Vus suivant la direction de l'axe de rotation 7 du joint, les axes 4 de ces tourillons 3 sont perpendiculaires entre eux et offrent un espacement axial a. Les deux moitiés de joint 1 sont réunies de manière articulée à l'aide d'un élément interméoiaire 5 de forme annulaire et en une seule pièce, avec interpusition d'ensembles-paliers 6. Ainsi que connu de manière indépendante, ces ensembles-paliers 6 sont glissés sur les extrémités des tourillons 3 à partir de l'extérieur dans le sens radial et sont mis en place dans des perçages 11 ménagés dans l'élément intermédiaire 5, après que les tourillons aient été insérés dans ces perçages 11 à partir de la zone située du côté intérieur dans le sens radial (comme cela est représenté pour un autre joint de cardan à la fig. 1 du brevet DE-2.625.9bU). L'élément intermédiaire 5 présente sur son contour périphérique une partie médiane cylindrique 8 qui se raccorde des deux côtés, vers les faces frontales, à des parties convergentes coniques 9, et il présente aussi un congé IU et, vers les faces frontales, une autre partie cylindrl- que ba ayant sensiblement le même diamètre que la partie médiane 8. Dans la direction circonférentielle, il est prévu entre chaque paire d'ensembles- paliers 6 associés à une moitié de joint 1, des évidements 16 orientés au côté frontal vers la zone médiane. Ceci donne l'assurance que, malgré le décalage axial avec l'écartement a, l'élément intermédiaire 5 ne dépasse pratiquement pas le diamètre d'encombrement en rotation du joint de cardan, même lors d'un pliage de ce joint. Les évidements frontaux 16 offrent une possibilité d'accès aux brides 2, notamment en vue du montage; ces brides sont en effet, pour les raisons indiquées plus haut, disposées à la distance la plus faible possible de l'élément intermédiaire 5. Les ensembles-paliers 6 comportent des couvercles de palier 12 qui s'emooîtent dans les perçages 11. Les deux couvercles de palier appar- tenant à une moitié de joint et à ses ensembles-paliers sont réunis par un tirant en forme de tige 13 qui traverse un perçage 15 ménagé le long de l'axe de rotation 4 des tourillons 3. Par ailleurs, les perçages 11 ménagés dans l'élément intermédiaire 5 comportent des butées en forme d'épaulement 14. Le tirant 13 est en mesure de répartir sur les deux côtés de la péri- phérie de l'élément intermédiaire 5 les efforts transversaux à l'axe de rotation 7 du joint qui apparaissent dans ce type de joint et qui se mani- festent sous la forme d'efforts axiaux suivant la direction de l'axe 4 des tourillons, de sorte que non seulement cet élément intermédiaire n'est soumis qu'à une faiole déformation, mais aussi les ensembles- paliers sont chargés d'une façon uniforme. Ce sont soit, comme cela est représenté, des disques de pression 22, soit, dans le cas de joints de grande dimension, des paliers de butée à roulement qui servent à transmettre les efforts axiaux de la face frontale des tourillons 3 aux couvercles de palier 12. Contrairement au joint de cardan connu, les deux moitiés de joint 1 peuvent, dans la zone de l'axe de rotation 7 du joint, avoir la forme d'évidements concaves 17 tournés l'un vers l'autre, afin de maintenir le plus faible possible l'espacement axial a entre les axes 4 des touril- Ions, étant donné qu'il existe à cet endroit une zone faiblement chargée du fait de la structure en une seule pièce des brides 2 et des tourillons 3. Le décalage axial des tourillons suivant un espacement a entraîne pour sa part comme avantage supplémentaire le fait qu'on peut choisir pour les ensembles-paliers eux-mêmes un diamètre plus grand. On aspire en effet en général à ce que, afin de réduire l'effort circonfé- rentiel, les ensembles-paliers soient disposés vers l'extérieur dans le sens radial à une distance effective la plus grande possible par rapport à l'axe de rotation 7 du joint. Il en résulte en effet une réduction linéaire des efforts circonférentiels sur ces ensembles-paliers. Le gain en résis- tance de portée de ces ensembles-paliers, si on dispose ceux-ci plus près de l'axe de rotation 7 du joint, s'élève par contre comme le carré du diamètre des paliers. La figure 3 montre que le diamètre extérieur de l'ensemble-palier 6 est choisi avec une valeur suffisamment grande pour que soient dépassées les lignes en trait mixte qui s'étenoent à 45 par rapport à l'axe 4 des tourillons. Dans les joints de cardan connus, ces lignes constituent, en sus des distances minimales nécessaires, des lignes de limite absolue entre les ensembles-paliers de deux moitiés de joint réunies par un croisillon. La figure 4 illustre l'agencement de vis de fixation 24 entre la bride 2 de la moitié de joint 1 et l'élément structurel contigu 21. Les évidements 16 offrent aux vis une bonne possibilité d'accès lors du montage. A la place d'une simple liaison par frottement à l'aide de vis, on peut encore envisager en outre un agencement à talon transversal 23, conformément à la figure 1. REVENICATIUNS 1. Joint de cardan pour arbre articulé, notamment pour la transmission de couples élevés, comportant des moitiés de joint menante et menée et dans lequel les deux moitiés de joint (1) sont reliées entre elles de façon articulée, à savoir à l'aide, pour chacune d'elles, de deux tourillons disposés dans des sens opposés et alignés entre eux, et dont les axes (4) sont perpendiculaires à l'axe de rotation (7) du Joint de cardan, et à l'aide d'un élément intermédiaire (5), ainsi que d'ensembles-paliers (6) qui sont dispusés entre les tourillons (3) et l'élément intermédiaire (5) dans la zone radialement extérieure des moitiés de joint (1), les deux axes (4) des tourillons (3) et des ensembles-paliers (6) étant situés à une certaine distance axiale (a) l'un de l'autre le long de l'axe de rotation (7) au joint, caractérisé en ce que les tourillons (3) sont des parties venues de matière avec les deux moitiés de joint (1), ce qui signifie que chacune de ces deux moitiés de joint (1) est réalisée en une seule pièce avec ses deux tourillons (3), et en ce que l'élément intermédiaire (5) reliant de manière articulée ces moitiés de joint (1) est aucsi réalisé en une seule pièce, offre une forme essentiellement annulaire, comporte des perçages traversant (11) destinés au logement des ensembles-paliers (6) et est en outre agencé de façon que les tourillons (3) des moitiés de joint (1) s'y insèrent à partir du côté qui est à l'intérieur dans le sens radial. 2. Joint de cardan suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre (d) des tourillons (3) est égal à environ 25 à 4U0, de préférence 30 à 35%, du diamètre (D) de l'encombrement en rotation et en ce que la distance axiale (a) séparant les axes (4) des tourillons est égale à à 35%, de préférence 20 à 30%, de ce diamètre (D) de l'encombrement en rotation. 3. Joint de cardan suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la longueur de portée (b) des tourillons (3) , c'est-à-dire la longueur du chemin de roulement des paliers, est égale à environ 12 à 2U, de préférence 15 à 1UG% du diamètre (D) de l'encombrement en rotation et en ce que l'épaisseur (e) du corps de base des deux moitiés de joint (1), mesurée le long de l'axe des tourillons, est égale à environ à 6U0, de préférence 40 à 50%, de ce diamètre (D) d'encombrement en rotation. 4. Joint de cardan suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel au moins l'une des deux moitiés de joint (1) est rendue solidaire de l'élément structurel voisin (20) à l'aide d'une bride (2), caractérisé en ce que l'élément intermédiaire annulaire (5) comporte deux évidements (16) réalisés frontalement et disposes, suivant la direction circonférentielle, entre les perçages de logement (11) prévus pour les ensembles-paliers (6). - 5. Joint de cardan suivant la revendication 4, caractérisé en ce que des vis (24) servant à la fixation de la bride (2) sur l'élément structurel voisin (20) ne sont prévues que dans la zone des deux évidements (16). 6. Joint de cardan suivant l'une quelconque des revendications 4 et 5, dans lequel la bride comporte un talon transversal (23) qui s'embdoîte dans une rainure de l'élément structurel voisin (20), caractérisé en ce que ce talon transversal s'étend d'une manière essentiellement paral- lèle à l'axe (4) des tourillons voisins. 7. Joint de cardan suivant l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le contour périphérique extérieur de l'élément intermédiaire annulaire (5) a une forme sensiblement cylindrique dans sa partie médiane (8) et présente, dans la zone des perçages (11) prévus pour les ensembles-paliers (6), des parties convergentes coniques (9) s'étendant vers la face frontale. 8. Joint de cardan suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les ensembles-paliers (6) comportent des couvercles de palier (12) et en ce que les deux couvercles (12) associés aux tourillons (3) d'une moitié de joint (1) sont réunis à l'aide d'un tirant en forme de tige (13) qui traverse un perçage (15) s'étendant le long de l'axe (4) des touril- ions. 9. Joint de cardan suivant la revendication 8, caractérisé en ce que les perçages de logement (11) prévus dans l'élément intermédiaire annulaire (5) pour les ensembles-paliers (6) offrent, pour les couvercles de palier (12), des épaulements de butte axiale (14). 10. Joint de cardan suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les deux moitiés de joint (1) comportent, dans la zone de l'axe de rotation (7) du joint de cardan, des évidements concaves (17) tournés l'un vers l'autre.