Brevet FR2625537A1 — publié le 19890707

Procédé de fabrication de liaisons à rotule ayant une tenue à la fatigue améliorée. La présente invention concerne les liaisons mécaniques à rotule comprenant un élément mâle et un élément femelle, l'élément mâle que l'on appelle pivot, pouvant tourner et osciller dans l'élément femelle. Le pivot comprend généralement une tête sphérique, torique ou composée de deux demi-sphères de diamètres différents et une queue cylindrique, en partie filetée ou moletée, avec éventuellement une gorge au pied de la tête et/ou-un cône entre deux parties cylindriques de la queue. De telles liaisons sont couramment employées dans la direction et dans la suspension des véhicules automobiles de tous genres. La présente invention vise plus particulièrement à améliorer la tenue à la fatigue de ces liaisons mécaniques. Il est connu qu'une structure homogène, par exemple la structure obtenue après une opération de trempe et revenu par des procédés classiques, a une meilleure tenue à la fatigue qu'une structure brute de forge. On peut améliorer davantage la tenue à la fatigue par le procédé décrit dans le brevet NO 2 431 067, et qui consite à faire subir aux couronnes de fil d'acier à partir desquelles sont découpés les lopins destinés à servir à fabriquer les pivots, une trempe sous vibrations puis un revenu, avant de forger à froid les lopins. L'amélioration de la tenue à la fatigue est certaine mais pas spectaculaire, car on atteint une dureté de l'ordre de 800 N/mm2. De plus, cette dureté présente un gradient entre la surface et le coeur du fil ainsi prétraité. Or, les performances des voitures se sont améliorées depuis la date de dépôt dudit brevet. Les organes mécaniques des voitures sont soumis à des contraintes de plus en plus fortes. C'est le cas des organes de transmission, tels que boites de vitesses, satellites, boîtiers de direction ou de transmission. Les pivots de direction par exemple, qui sont réalisés par le procédé susmentionné, donnent toute satisfaction en ce qui concerne l'usure et la résilience, mais sur les nouveaux modèles de voitures, ils donnent des résultats aux essais de fatigue qui sont souvent à la limite ou même inférieurs à ce que l'on devrait exiger. La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un pivot à rotule ayant une tenue à la fatigue encore améliorée. Ce procédé se caractérise en ce qu'il consiste à utiliser un lopin en fil prétraité par trempe sous vibrations puis par un traitement de revenu, et à soumettre ledit lopin à un écrouissage dans la zone présumée de rupture. Le prétraitement peut être effectué sur les couronnes de fil d'acier dans lequel lopin est découpé. Le coefficient de déformation logarithmique résultant de l'écrouissage sera de préférence supérieur à 10% . Les essais montrent qu'avec un coefficient de déformation logarithmique de 35% on obtient une dureté de l'ordre de 1000 N/mm2, donc bien supérieure à celle du fil prétraité. Lorsque les variations de diamètre le long de la queue du pivot sont relativement faibles, l'écrouissage est réalisé par simple filage d'un lopin de diamètre supérieur à celui de la section de rupture et conduisant à un coefficient de déformation logarithmique au niveau de la zone de cette section d'au moins 10%. Cependant, les coefficients de déformation nécessaires pour obtenir les autres diamètres (par exemple les diamètres avant filetage) ne doivent pas être trop importants, car l'outillage ne supporterait pas les efforts qui se manifestent au cours du tréfilage. Lorsque le pivot à fabriquer comporte de grosses variations de section, l'écrouissage par filage seulement ne peut donc être généralement appliqué. En effet, comme on l'a précisé ci-dessus, il faudrait partir d'un lopin de diamètre supérieur à celui de la plus grande section du pivot. Le coefficient de déformation logarithmique de ce lopin dans les zones de plus faibles sections risque de dépasser la limite de résistance de l'outillage. Un procédé applicable dans le cas de tels pivots consiste à partir d'un lopin prétraité, de diamètre égal ou même inférieur à celui de la zone de rupture du pivot, à faire subir au lopin un écrouissage par filage, de manière à réduire encore davantage son diamètre, à refouler la matière pour gonfler le diamètre de ladite zone jusqu'au diamètre souhaité, et à effectuer éventuellement d'autres filages pour former les autres parties du pivot de sections plus réduites. Il peut paraître surprenant de filer un lopin qui n'a déjà pas le diamètre voulu, pour le gonfler ensuite, mais c'est ainsi que l'on obtient l'écrouissage nécessaire pour améliorer la tenue à la fatigue. En effet, dans la zone qui a subi le refoulement, le coefficient d'écrouissage total est égal à la somme des valeurs absolues des coefficients d'écrouissage résultant du filage et du refoulement. L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples qui vont être décrits ci-après en regard des dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une vue en élévation d'un pivot réalisé à partir d'un lopin de fil prétraité, de diamètre supérieur au diamètre maximal sous tête du pivot la figure 2 montre un pivot réalisé à partir d'un fil prétraité de diamètre inférieur au diamètre maximal sous tête du pivot Les figures 3 à 6 illustrent les étapes successives du procédé de fabrication du pivot de la figure 2. Avec référence tout d'abord à la figure -1, le pivot 10 est réalisé en partant d'un lopin découpé dans une couronne de fil d'acier prétraité par trempé sous vibrations suivie d'un revenu, et dont le diamètre est supérieur au diamètre maximal du pivot sous la tête 14, diamètre que le pivot atteint dans la zone cylindrique 16 comprise entre la gorge 18 et la queue 20. La première opération consiste à tréfiler le lopin pour le ramener à un diamètre légèrement inférieur à celui de la zone cylindrique 16. Le lopin est ensuite frappé, afin d'amener la zone 16 à son diamètre définitif. La'tête 14, les gorges 18 et 22 sont réalisées par des procédés classiques, par exemple comme décrit dans les brevets 2 186 306 et 2 187 457. La portion terminale 24 de la queue peut être filetée. Dans un exemple de réalisation, le fil de départ a un diamètre de 18,30 mm. Il est tréfilé à 17,25 mm, puis, sur la presse, le diamètre sous tête est ramené à 15,25 mm. Le coefficient de déformation logarithmique est de 35%, ce qui entraîne une dureté d'environ 1000 N/mm2. Des.essais ont été effectués à charge alternée à la fréquence de 20 Hz de plus ou moins 1,14 N pour tester l'encastrement sous la tête sphérique, avec un bras de levier de 50 mm, soit donc un moment de 57.10 3 N.m. On constate que les pivots de série fabriqués selon la technique antérieure ont une durée de vie comprise entre 19000 et 35000 cycles, tandis que les pivots ayant subi l'écrouissage indiqué ci-dessus ont une tenue comprise entre 45.000 et 125.000. L'amélioration de la tenue à la fatigue est donc de quatre fois environ. Ainsi, pour obtenir une bonne tenue à la fatigue, ii ne suffit pas d'utiliser un fil prétraité, mais il faut également faire subir à ce fil un écrouissage de coefficient d'au moins 10% dans la zone critique. Un écrouissage de 40% serait souhaitable si cela est possible. Dans les zones du pivot où le coefficient d'écrouissage est inférieur à 10%, il y a de sérieux risques de rupture. Lorsque le pivot présente de grosses variations de diamètre, il n'est pas toujours possible de fabriquer le pivot par le procédé qui a été décrit précédemment. En effet, le fil de départ doit être suffisamment gros pour qu'il puisse subir un écrouissage de valeur au moins égale à 10% dans la zone de rupture. Mais alors le coefficient d'écrouissage des zones de plus faible diamètre serait tellement important que l'outillage ne supporterait pas les efforts subis au cours du filage. Les figures 3 à 6 illustrent les phases d'un procédé qui permet de remédier à cet inconvénient. On se propose de réaliser le pivot 30 illustré par la figure 2. Ce pivot comprend une tête sphérique 32 et une queue sur laquelle sont formés successivement à partir de la tête, une gorge 34, une portion tronconique 36 s'évasant vers l'arrière, une portion cylindrique 38, une portion tronconique 40 s'ef filant-vers l'arrière, un chanfrein 42 et une portion cylindrique filetée 44. Un tel pivot présente donc de grandes variations de sa section. Pour fabriquer ce pivot, on part d'un lopin de fil prétraité 46 (figure 3) ayant un diamètre compris entre les diamètres 38 et 42. Par un premier filage, on fait apparaître la portion terminale 44 (figure 4), puis par un second filage on réalise une zone cylindrique 40' (figure 5) ayant un diamètre correspondant à un diamètre moyen de la zone tronconique. Cette zone cylindrique subit ensuite une opération de refoulement vers la tête (figure 6) de manière à faire apparaître la portion tronconique 40. La tête 32 et la gorge 34 sont réalisées comme mentionné précédemment. L'exemple de réalisation ci-après donnera une idée des déformations subies par le lopin. On utilise un lopin de départ de diamètre 14,2 mm. On file sa portion terminale 44 à 9,15 mm et sa portion 40' à 13,17 mm. On réalise ensuite la partie tronconique en gonflant la portion 40' vers la tête jusqu'à faire passer le diamètre de 13,17 mm à 14,5 mm, et en filant le petit diamètre dans la même opération. Ainsi, dans ce procédé, on commence par réduire le diamètre du lopin dans la zone de rupture pour le regonfler ensuite au diamètre souhaité. Cela peut paraÎtre surprenant, mais c'est de cette manière que toutes les parties du pivot subissent un écrouissage d'au moins 15%. L'écrouissage le plus important a été effectué naturellement dans la portion terminale 44, puisque son diamètre est passé de 14,2 mm à 9,15 mm.Mais même dans la zone cylindrique 38 dont le diamètre n'a varié que très peu par rapport au lopin de départ (de 14,2 à 14,5 mm), le coefficient d'écrouissage est important, puisque le coefficient d'écrouissage est égal à la somme en valeur absolue du coefficient d'écrouissage obtenu lors du filage de cette zone du diamètre 14,2 au diamètre 13,7 mm et de celui obtenu lors du refoulement du diamètre 13,7 mm au diamètre 14,5 mm, plus bien sûr l'écrouissage du fil. C'est là que réside l'originalité de ce procédé de fabrication. Les résultats donnés par ce procédé sont spectaculaires puisque la durée de vie de ces pivots est quatre fois plus longue que celle des pivots uniquement prétraitês. Grâce à ce procédé, il n'est plus nécessaire,. comme c'était le cas jusqu'à présent, de redessiner des pivots de plus grandes dimensions, pour améliorer leur tenue à la fatigue. Au contraire, des pivots de même dimensions que sur les anciens modèles de voitures, mais réalisés selon l'invention,peuvent parfaitement subir les contraintes se manifestant dans les nouveaux modèles de voitures. On mesure les gains énormes sur les prix de revient qui pourront être réalisés par les constructeurs d'automobiles. On notera que si on ne peut utiliser des coefficients de déformation importants pour obtenir la dureté nécessaire, il est toujours possible de se contenter, après la frappe, d'une dureté plus basse et d'effectuer un vieillissement artificiel entre 250 et 3000C. Le procédé selon l'invention permet donc d'obtenir l'écrouissage minimal de 10% souhaité dans le cas où cela ne serait pas possible lorsque le pivot a de trop grandes variations de sections. Il est également important de noter que grâce à ce procédé, on peut obtenir des coefficients d'écrouissage beaucoup plus élevés, dans la zone de rupture, dans le cas où le coefficient de réduction de 10% n'apporterait pas d'amélioration suffisante à la tenue en fatigue. En jouant sur le tréfilage et sur le refoulement, on peut arriver à des coefficients de 35% dans les zones de rupture, quel que soit le type de pivot. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication de liaisons à rotule, telles que pivots, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un lopin en fil prétraité par trempe sous vibrations, puis par un traitement de revenu, éventuellement écroui, et à soumettre ledit lopin à un écrouissage dans la zone de rupture. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coefficient de déformation logarithmique résultant dudit écrouissage est au moins égal à 10% pour les zones de rupture. 3.- Procédé selon la revendication 1, appliqué au cas où les variations de diamètre le long de la queue du pivot sont relativement faibles, caractérisé en ce que l'écrouis sage est réalisé par simple filage d'un lopin de diamètre supérieur à celui de la zone de rupture. 4.- Procédé selon la revendication 1, appliqué au cas où le pivot présente de grandes variations de sa section, caractérisé en ce qu'il consiste à partir d'un lopin prétraité, de diamètre égal ou inférieur à celui de la zone de rupture, à faire subir au lopin un écrouissage par filage, de manière à réduire davantage son diamètre,- à refouler la matière pour gonfler le diamètre de ladite zone jusqu'au diamètre souhaité, et à effectuer éventuellement d'autres filages pour former les autres parties du pivot de section plus réduites, l'ensemble de ces opérations permettant d'obtenir un coefficient d'écrouissage de 10% au moins dans les zones de rupture. 5.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' en jouant sur le tréfilage et sur le refoulement on peut arriver à des coefficents d'écrouissage de 35% environ dans les zones de rupture.