Brevet FR2624225A1 — publié le 19890609

L'invention se rapporte à un arbre creux élasti- que en torsion pour la transmission des couples, qui est combiné à un corps tubulaire rigide en torsion, exté- rieur ou intérieur, placé dans une disposition coaxiale et génératrice de frottement, pour l'amortissement des vibrations de torsion. On connaît déjà des arbres de ce genre dans dif- férentes formes de réalisation, constitués par des élé- ments métal-élastomère, dans lesquels le flux de force de la transmission du couple passe par l'élément élasto- mère. On connaît un arbre du genre cité par le DE-GM- 1 775 854, dans lequel un arbre creux est divisé en deux parties et les éléments partiels sont emmanchés l'un dans l'autre, avec possibilité de glissement et de rota- tion l'un par rapport à l'autre, et dans lequel un man- chon élastique possédant une élasticité du type du caout- chouc, qui est emmanchée sur cet arbre creux, est fixée sur ces deux éléments partiels avec production d'un frot- tement interne et d'un frottement de surface. L'inconvé- nient essentiel consiste ici dans le fait que la cons- truction mécanique est compliquée et exige un montage et un guidage précis et dans le fait que tout le couple est transmis par l'intermédiaire de la matière possédant l'élasticité du caoutchouc et qui est en soi mal appro- priée pour cette fonction. La présente invention a pour but de créer un ar- bre du genre cité plus haut qui, avec une constitution simple, puisse être d'une configuration- très souple en torsion et qui puisse présenter en même temps un haut de- gré d'amortissement. La solution selon l'invention con- siste en ce que l'arbre creux est composé d'une matière composite fibreuse et est assemblé directement, à ses deux extrémités, à des organes de raccordement servant pour la transmission du couple. En particulier dans le cas de petits angles d'enroulement des fibres, on peut fabriquer un arbre très élastique en torsion et qui pos- sède un haut degré d'amortissement pour le découplage des vibrations de torsion. Selon une première configuration constructive avantageuse, le corps tubulaire rigide en torsion, extérieur ou intérieur, est assemblé rigidement en torsion, à l'une de ses extrémités, à l'un des organes de raccordement. De cette façon, le corps tubulaire peut avantageusement être immobilisé axialement et peut servir en même temps de mandrin d'enroulement pour l'arbre creux, à partir d'une extrémité. Le raccordement fixe doit alors être prévu de préférence sur le côté de sortie, de sorte que les mouvements relatifs par rapport à la rotation synchrone, qui sont dus aux vibrations angulaires issues du côté d'entrée, ne sont pas inévita- blement accompagnés par toute la masse du corps tubu- laire. Selon une autre forme de réalisation possible, le corps tubulaire rigide en torsion, extérieur ou inté- rieur, est emmanché dans l'arbre creux de façon à pou- voir tourner librement par rapport aux deux éléments de raccordement à ses deux extrémités. On obtient de cette façon une possibilité de choisir librement la configura- tion des extrémités de l'arbre et des organes de raccor- dement. En présence d'une torsion de l'arbre creux, l'am- plitude des mouvements relatifs entre l'arbre creux et le corps tubulaire passe par zéro à peu près à la moitié de la longueur et croit vers les extrémités dans les deux sens. Dans les deux cas précités, on peut obtenir le maximum d'amortissement lorsque le corps tubulaire inté- rieur ou extérieur s'étend sensiblement sur toute la lon- gueur de l'arbre creux. Dans la plus simple des configu- rations envisageables, il est prévu un corps tubulaire intérieur logé dans l'arbre creux, en contact de frotte- ment sur une surface étendue. L'avantage réside ici dans le fait que le corps tubulaire, qui est de préférence fait de métal, peut être immobilisé axialement par les organes de raccordement et est protégé des déformations permanentes dues à des chocs extérieurs. Un aspect essen- tiel consiste certes également dans le fait qu'en présen- ce d'une torsion de l'arbre creux, ce dernier se contrac- te légèrement en section transversale, de sorte que l'ef- fet d'amortissement est encore amélioré comparativement au corps tubulaire à section constante. Le corps tubulaire ne doit pas nécessairement être cylindrique; il est également possible d'envisager une forme conique qui est encastrée dans un segment coni- que correspondant de l'arbre creux et qui est en appui contre la paroi interne de cet arbre avec précontrainte axiale. Dans cette situation, l'avantage consiste dans le fait que les paramètres d'amortissement peuvent être réglés dans une certaine mesure par action sur la précon- trainte du ressort. Dans cette construction, un segment cylindrique peut se raccorder au segment conique de l'ar- bre creux. Toutefois, il est également possible de pré- voir dans l'arbre creux deux segments coniques opposés, associés à des corps tubulaires respectifs, lesquels peu- vent être assemblés l'un à l'autre par un segment inter- médiaire cylindrique. On peut réaliser une variante des formes de réa- lisation précitées, qui repose sur un autre principe de frottement, en prévoyant un corps creux intérieur monté à joint étanche dans l'arbre creux à ses deux extrémités et qui enferme avec ce dernier une chambre annulaire in- tercalaire qui est remplie d'une matière d'amortissement fluide, en particulier, d'un liquide à haute viscosité. Ici, le frottement interne du liquide remplace le frotte- ment entre surfaces. Pour le reste, la construction est comparable. Ici aussi, l'une des extrémités du corps tu- bulaire peut être assemblée rigidement en torsion à l'un des éléments de raccordement, en particulier, à celui qui se trouve sur le côté de sortie; en variante, les deux extrémités du corps tubulaire peuvent être montées de façon à pouvoir tourner librement par rapport à l'ar- bre creux. La chambre annulaire formée entre les deux éléments peut être cylindrique, ce qui représente la for- me de réalisation constructive la plus simple, mais, pour obtenir un effet de cisaillement de liquide unifor- me sur toute la longueur, il est aussi possible de pré- voir un élargissement conique de la chambre annulaire à prtir de l'extrémité fixe, ou encore un évasement biconi- que dans le cas o le corps tubulaire possède deux extré- mités libres. Selon une autre configuration légèrement modi- fiée en construction, dont le principe peut reposer, de la même façon que les configurations précitées, sur l'ef- fet d'un frottement interne, un corps tubulaire inté- rieur situé à un certain écartement radial de l'arbre creux peut être de configuration coaxiale et il peut en- fermer, avec l'arbre creux, une chambre annulaire inter- calaire remplie d'une matière d'amortissement solide, en particulier, de caoutchouc fixé par une liaison opérant par action de force ou par union de matière. Grâce à l'état solide, contrairement aux formes de réalisation précédentes, il n'est pas nécessaire de fermer la cham- bre annulaire à joint étanche, mais on retrouve le même principe d'action du frottement interne résultant des forces de cisaillement qui se manifestent lorsque l'ar- bre creux subit une torsion. Dans cette construction, pour obtenir des forces de cisaillement de même valeur sur toute la longueur, il est avantageux, et ceci dans une plus grande mesure que dans le cas du frottement li- quide, de donner une configuration biconique à la cham- bre annulaire, les deux extrémités du corps tubulaire devant ici pouvoir tourner librement par rapport à l'arbre creux. Dans le cas d'arbres creux selon l'invention qui sont de grande longueur, il peut être avantageux pour limiter les masses et pour limiter l'effet d'amor- tissement, de munir seulement un segment partiel situé au droit d'un organe de raccordement d'un corps tubulai- re extérieur ou intérieur servant pour l'amortissement, ce segment partiel étant suivi d'un segment de la lon- gueur de l'arbre creux qui possède un plus grand diamè- tre et qui est rigide en torsion et en flexion. Un moyen possible de renforcer l'effet d'amor- tissement, même avec une faible longueur du corps tubu- laire, consiste à donner à l'arbre creux et au corps tu- bulaire, en section, une forme qui s'écarte légèrement de-la forme circulaire. Lorsque l'arbre creux subit une torsion par rapport au corps tubulaire rigide en tor- sion, ce mouvement exige la production d'un travail de déformation élastique qui renforce l'effet d'amortisse- ment. Ceci se présente en particulier dans le cas o il y a contact de frottement direct entre l'arbre creux et le corps tubulaire et dans le cas o l'on utilise une ma- tière d'amortissement solide entre ces deux éléments. Pour éviter les détériorations de l'arbre creux en réponse à des pointes de contrainte inadmissibles et selon une forme de réalisation préférée, le corps tubu- laire extérieur ou intérieur est muni, à l'extrémité ou aux extrémités qui tourne(nt) librement par rapport à l'arbre creux, de butées servant à limiter l'angle de ro- tation par rapport à l'arbre creux, ces butées coopérant en particulier avec des contre-butées prévues sur les or- ganes de raccordement métalliques de l'arbre creux. Pour rendre moins brutal l'effet des butées, il peut être avantageux de réaliser le corps tubulaire exté- rieur ou intérieur avec une fente axiale, ceci n'étant naturellement possible que dans les configurations qui comportent un frottement direct entre surfaces ou qui utilisent une matière d'amortissement solide. Pour découpler les vibrations axiales, il est - avantageux qu'au moins l'un des organes de raccordement métalliques montés dans l'arbre creux soit un joint homo- cinétique à coulissement axial et, en particulier, que cet organe constitue directement l'élément extérieur de ce joint. Selon un procédé de fabrication selon l'inven- tion dans les deux formes de réalisation citées en der- nier et ainsi qu'on l'a déjà indiqué plus haut, on a la possibilité d'utiliser directement un corps tubulaire in- térieur, ou la matière d'amortissement fixée sur ce corps, comme mandrin d'enroulement pour l'arbre creux souple en torsion qui est composé d'une matière composi- te fibreuse. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la descrip- tion qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels, la figure 1 représente un arbre creux muni d'un corps tubulaire en appui intérieurement par une surface étendue, qui est fixé à l'une de ses extrémités; la figure 2 représente un arbre creux avec un corps tubulaire monté à joint étanche à ses deux extrémi- tés librement rotatives, pour enfermer un liquide à hau- te viscosité; la figure 3 représente un arbre creux muni d'un corps tubulaire cylindrique emmanché en enfermant une ma- tière d'amortissement solide; la figure 4 représente un arbre creux compre- nant un corps tubulaire biconique emmanché en enfermant une matière d'amortissement solide; la figure 5 représente un arbre creux compre- nant un corps tubulaire fixé à l'une de ses extrémités et qui est emmanché en enfermant une matière d'amortisse- ment solide; la figure 6 représente un arbre creux compre- nant un segment conique et un corps tubulaire conique sollicités élastiquement dans la direction axiale; la figure 7 représente un arbre creux compre- nant un corps tubulaire court emmanché en enfermant un milieu d'amortissement liquide et une section d'arbre qui s'élargit à la suite de ce corps. Sur les dessins, les détails qui se correspon- dent sont désignés par les mêmes chiffres de référence. Sur la figure 1, on a représenté un arbre creux élastique en torsion comprenant un tube d'arbre 1 fait d'une matière plastique renforcée de fibres, qui s'élar- git légèrement en diamètre à une extrémité, dans un seg- ment conique 2 et qui se termine par un segment de fixa- tion 3. Dans ce segment, est embotté un organe de raccor- dement 4 tandis qu'un élément de serrage 5 est emmanché extérieurement pour l'immobilisation. L'organe de raccor- dement 4 forme l'élément extérieur d'un joint homocinéti- que coulissant qui comprend aussi un élément intérieur de joint 6, des billes 7 et une cage à billes 8. Le joint est enfermé hermétiquement des deux côtés par des capuchons en tôle 9, 10 et un soufflet roulant 11. A l'extrémité opposée du tube 1 de l'arbre, est emmanché un organe de raccordement 12 qui se termine, en une seu- le pièce, par un bout d'arbre 13 présentant plusieurs épaulements échelonnés. Un roulement à billes est emman- ché sur ce bout d'arbre par sa bague intérieure 14 et im- mobilisé par une bague d'arrêt 15, le roulement compre- nant en outre des corps roulants 16 et une bague exté- rieure 17. La bague extérieure du roulement est tenue dans un élément élastique en caoutchouc 18 muni d'une ba- gue extérieure métallique 19. Le roulement est fermé par un anneau de tôle 20. Dans le tube 1 de l'arbre, est em- boité un corps tubulaire 21 rigide en torsion, placé à l'intérieur, qui est en contact de frottement avec le tu- be de l'arbre, sensiblement sur toute sa longueur et qui peut être réuni en une seule pièce avec l'organe de rac- cordement 12. Sur la figure 2, on a représenté le tube 1 de l'arbre et les organes de raccordement 4 et 12 qui s'y raccordent, ainsi que les éléments qui y sont associés, comme dans la forme de réalisation selon la figure 1. Un corps tubulaire intérieur 22 rigide en torsion, emmanche dans le tube 1 de l'arbre, est monté à joint étanche par rapport à cet arbre dans ses régions d'extrémités 23, 24 et il enferme avec le tube de l'arbre une chambre inter- calaire annulaire cylindrique 25, qui renferme la matiè- re d'amortissement liquide, en particulier un liquide à haute viscosité. Les deux extrémités 23, 24 du corps tu- bulaire 22 peuvent tourner librement par rapport au tube 1 de l'arbre. Sur la figure 3, on a représenté le tube 1 de l'arbre et les organes de raccordement 4 et 12, ainsi que les éléments qui y sont contenus,comme dans la forme de réalisation selon la figure 1. Dans le tube 1 de l'ar- bre, est emmanché un corps tubulaire 26 rigide en tor- sion, de forme cylindrique et de plus petit diamètre, la chambre annulaire cylindrique 27 qui se forme entre les deux étant remplie d'une matière d'amortissement solide qui peut être collée aux deux corps tubulaires. Les ex- trémités du corps tubulaire 26 sont sans contact avec le tube de l'arbre ni avec les organes de raccordement de ce tube. Sur la figure 4, on a représenté le tube 1 de l'arbre et les organes de raccordement 4 et 12, ainsi que les éléments qui y sont contenus, comme dans la for- me de réalisation selon la figure 1. Dans le tube 1 de l'arbre, est emmanché un corps tubulaire 28 de forme bi- conique, qui forme avec le tube 1 de l!arbre une chambre annulaire 29 qui croit en épaisseur radiale du milieu vers les extrémités et est remplie d'une matière d'amor- tissement solide. De cette façon, en réponse à une tor- sion du tube élastique 1 de l'arbre par rapport au corps tubulaire 28 rigide en torsion, il se produit une con- trainte de cisaillement sensiblement uniforme de la ma- tière d'amortissement. Ici aussi, les extrémités du corps tubulaire 28 sont sans contact avec le tube 1 de l'arbre ni avec les organes de raccordement. Sur la figure 5, on a représenté le tube 1 de l'arbre et les organes de raccordement 4 et 12, ainsi que les éléments qui y sont contenus, comme dans la for- me de réalisation selon la figure 1. Ici, un corps tubu- laire 30 conique est emmanché dans le tube 1 de l'arbre et relié rigidement à l'organe de raccordement 12. La chambre annulaire 31 formé entre le corps tubulaire 30 et le tube 1 de l'arbre, et qui croit en épaisseur radia- le, est ici aussi remplie d'une matière d'amortissement solide. En réponse à une torsion du tube de -l'arbre, qui est souple en torsion, par rapport au corps tubulaire 30 rigide en torsion, cette matière subit une contrainte de cisaillement qui est à peu près uniforme sur sa longueur en raison de l'immobilisation unilatérale de ce corps tu- bulaire. Sur la figure 6, et à la différence des formes de réalisation précédentes, le tube 1 de l'arbre présen- te un segment cylindrique court 32 et un segment conique 33 plus long qui, ici aussi, se termine par un segment cylindrique 3 destiné à la fixation sur l'organe de rac- cordement 4. Cet organe est, de même que l'organe de rac- cordement 12 prévu sur le c8té opposé, de même configura- tion que dans les formes de réalisation précédentes. Dans le segment conique 33 du tube, est embolté un corps tubulaire conique correspondant 34, en appui avec frotte- ment, qui est maintenu sous précontrainte par rapport à la paroi du tube dans la direction axiale par ta force d'un ressort hélicoidal 35 qui prend appui sur l'organe de raccordement 4. On peut faire varier l'effet d'amor- tissement en agissant sur la précontrainte du ressort. Sur la figure 7, le tube 1 de l'arbre présente un segment cylindrique court de petit diamètre 36, une partie de transition conique 37 et un segment suivant cy- lindrique allongé 3 dans lequel l'organe de raccordement 4 est emboîté avec un mode de construction inchangé. L'organe de raccordement 12 monté sur le côté opposé est adapté en diamètre au segment cylindrique 36 et il est réalisé d'une seule piece avec un corps tubulaire 38 ri- gide en torsion, qui est monté à joint étanche par rap- port au tube de l'arbre dans ses deux régions d'extrémi- tés 39, 40 et qui enferme avec ce tube une chambre cylin- drique annulaire 41 qui est remplie d'un liquide à haute viscosité servant de matière d'amortissement. L'extrémi- té du tube de l'arbre qui possède un diamètre réduit est maintenue sur l'organe de raccordement 12 par un organe de serrage. Les autres organes de raccordement situés aux deux extrémités de l'arbre sont de même configura- tion que dans toutes les formes de réalisation décrites plus haut. Bien entendu, diverses modifications pourront être apportées par l'homme de l'art au dispositif qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non li- mitatif sans sortir du cadre de l'invention. *R EV E N DI C AT I ON S 1 - Arbre creux élastique en torsion, pour la transmission des couples, qui est combiné à un corps tu- bulaire rigide en torsion, extérieur ou intérieur, placé dans une disposition coaxiale et génératrice de frotte- ment, pour l'amortissement des vibrations de torsion, caractérisé en ce que l'arbre creux (1) est composé d'une matière composite fibreuse et est assemblé directement, à ses deux extrémités, à des organes de raccordement (4, 12) servant pour la transmission du couple. 2 - Arbre creux selon la revendication 1, caractérisé en- ce que le corps tubulaire rigide en torsion (21, 30, 38), extérieur ou intérieur, est assemblé rigi- dement en torsion, à l'une de ses extrémités, à l'un des organes de raccordement. 3 - Arbre creux selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps tubulaire rigide en torsion (22, 26, 28, 34) extérieur ou intérieur, est emmanché dans l'arbre creux (1) de façon à pouvoir tourner libre- ment à ses deux extrémités par rapport aux deux organes de raccordement (4, 12). 4 - Arbre selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le corps tubulaire intérieur ou exté- rieur (21, 22, 26, 28, 30) s'étend sensiblement sur tou- te la longueur de l'arbre creux (1). 5 - Arbre selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 4, caractérisé en ce qu'un corps tubulaire intérieur (21, 34) est logé dans l'arbre creux, en contact de frottement sur une surface étendue. 6 - Arbre selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est prévu au moins un corps tubulai- re intérieur (34) qui est conique et est maintenu, sous précontrainte axiale, dans un segment (33) de l'arbre creux (1) possédant une conicité correspondante, de pré- férence par un ressort hélicoïdal (35) qui prend appui contre l'un des organes de raccordement (4). 7 - Arbre selon une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'un corps tubulaire intérieur (22, 38) est monté à joint étanche dans l'arbre creux (1) à ses extrémités (23, 24; 39, 40) et enferme avec ce dernier une chambre annulaire intercalaire (25, 41) qui est rem- plie d'une matière d'amortissement, en particulier, d'un liquide à haute viscosité. 8 - Arbre selon une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'un corps tubulaire intérieur (26, 28, ) est disposé coaxialement à un certain écartement ra- dial de l'arbre creux (1) et renferme avec ce dernier une chambre annulaire intercalaire (27, 29, 31) remplie d'une matière d'amortissement, en particulier d'un caout- chouc fixé par une liaison opérant par action de force ou par union de matière. 9 - Arbre selon une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le corps tubulaire (26) et l'arbre creux (1) forment ensemble une chambre annulaire cylin- drique (27). - Arbre selon une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le corps tubulaire (28; 30) et l'ar- bre creux (1) forment ensemble une chambre annulaire co- nique ou biconique (29; 31). 11 - Arbre selon une quelconque des revendica- tions 1 à 10, caractérisé en ce que le corps tubulaire extérieur ou inté- rieur (38) s'étend sur un segment (36) de la longueur de l'arbre creux (1) qui possède un petit diamètre, et au- quel fait suite un segment (3) de la longueur de l'arbre creux, qui est de plus grand diamètre et qui est rigide en torsion et en flexion. 12 - Arbre selon une quelconque des revendica- tions 1 à 11, caractérisé en ce que le corps tubulaire extérieur ou inté- rieur et l'arbre creux sont munis, à l'extrémité ou aux extrémités qui tourne(nt) librement l'une par rapport à l'autre, de butées servant à la limitation de l'angle de rotation. 13 - Arbre selon une quelconque des revendica- tions 1 à 12, caractérisé en ce que le corps tubulaire extérieur ou inté- rieur est fendu dans la direction axiale. 14 - Arbre selon une quelconque des revendica- tions 1 à 13, caractérisé en ce que, pour assurer le découplage des vibra- tions axiales, au moins l'un des organes de raccordement (4) forme une partie constitutive d'un joint homocinéti- que à coulissement axial, en particulier l'élément exté- rieur de ce joint. - Arbre selon une quelconque des revendica- tions 1 à 14, caractérisé en ce que l'arbre creux et le corps tubulaire intérieur ou extérieur sont d'une forme qui diffère légè- rement de la forme circulaire en section transversale. 16 - Procédé de fabrication d'un arbre creux se- lon une quelconque des revendications 1 à 15 et compre- nant un corps tubulaire intérieur, caractérisé en ce que le corps tubulaire intérieur sert au moins de partie d'un mandrin d'enroulement pour l'arbre creux souple en torsion.