Brevet FR2700589A1 — publié le 19940722

L'invention a pour objet un ac- couplement à croisillon, dit cardan, pour un arbre destiné à la transmission de couples élevés, du genre de cardan équipé de deux fourchettes pour le logement des tourillons du croi- sillon, dans lequel chaque tourillon est logé par l'intermé- diaire d'un palier radial et d'un palier de butée particulier dans un logement de fourchette correspondant qui est pourvu d'un bouchon de palier, dans lequel le coussinet de chaque palier radial comporte un bourrelet, qui est orienté en di- rection de l'axe du tourillon, dans lequel la face d'extrémité du tourillon comporte un alésage (alésage de tourillon), dans lequel le bourrelet s'étend au-delà du bord intérieur de l'alésage du tourillon vers l'axe du tourillon, dans lequel enfin le palier de butée est disposé à l'inté- rieur de l'alésage du tourillon Des cardans à croisillon de ce genre sont déjà connus par exemple par DE 36 44 204 C 2 et GB 22 49 818 A. Dans l'utilisation en mécani- que lourde d'arbres destinés à la transmission de couples élevés, les cardans sont, selon les cas d'utilisation, non seulement exposés à des couples élevés mais également à des forces transversales considérables Pour cette raison ils sont équipés de paliers radiaux pour la transmission des for- ces périphériques et de paliers de butée pour la prise des forces transversales. En plus des exigences dans leur capacité de transmission des couples élevés, et de fiabilité de leurs paliers, les cardans doivent en général être compo- sés d'un nombre réduit de pièces de construction simple et ne nécessiter qu'un minimum de temps de montage La transmission de couples élevés associée à une bonne fiabilité des paliers exige l'utilisation de paliers de portée plus importante et, de ce fait, de plus grande dimension Etant donné que l'es- pace de montage est limité, ce dernier point s'avère problématique. On sait par le brevet DE 3644204 C 2 que le palier de butée peut être décalé de sa position de montage conventionnelle à l'embase du tourillon, vers l'ex- trémité de celui-ci pour gagner de l'espace de montage pour s le palier radial Dès lors, le palier de butée s'appuie con- tre le coussinet du palier radial qui forme une unité avec le tourillon et contre la face intérieure du bouchon de pa- lier L'extrémité du coussinet du palier radial forme ainsi avec l'extrémité du tourillon une seule surface, c'est-à-dire qu'elle se situe avec l'extrémité du tourillon sur un même plan par lequel l'espace de montage du palier radial, déjà limité dans le sens vertical par la forme de la fourchette du cardan et celle du bouchon de palier, se trouve encore plus réduit. La force transversale qui doit être transmise du croisillon à la fourchette du cardan et qui agit en position angulaire correspondante de l'arbre articulé en tant que force axiale dans le sens de l'axe du tourillon et en sens opposé à l'axe du cardan articulé, vient de l'extrémité du tourillon et passe par la couronne intérieure de roulement et les rouleaux du palier de butée à l'autre couronne de roulement sur le bouchon de palier Cependant, la force n'est pas transmise par le chemin le plus court à la fourchette du cardan, que ce soit à l'aide de vis à travers le bouchon de palier ou à l'aide de circlips à travers le corps de la bague extérieure du palier radial qui se trouve fixée au bouchon de palier, mais elle est induite dans l'ar- mature par le bouchon de palier qui est raccordé à celle-ci et située dans la direction d'action de la force et n'est pas raccordé de manière fixe à la demi-fourchette du car- dan L'armature est également raccordée au bouchon de palier de la demifourchette du cardan opposé Là, la force s'exerce contre la fourchette du cardan, sa direction d'action allant dans le sens de l'axe du cardan Le bouchon de palier peut aussi s'appuyer contre la face de la bague extérieure du palier radial, à condition que cette dernière soit façonnée de manière qu'elle puisse être poussée de l'extérieur dans l'alésage du roulement jusqu'à une butée Une force transversale agissant contre l'un des bouchons de palier n'est donc pas en prise sur le logement de la fourchette du cardan contre lequel est dirigée la force transversale de l'axe du cardan, mais sur le logement de la fourchette oppo- sée Dans le cas d'une telle construction de cardan, le pa- lier sollicité est exempt de déformations dans la zone de l'alésage du roulement Ainsi le comportement optimal sous sollicitation peut être assuré par le palier de butée. Il est bien connu que la longueur de l'armature doit être dimensionnée de telle façon que les deux paliers de butée se trouvent après la fixation des bou- chons sur l'armature soumis à une précontrainte définie. Cette précontrainte contribue à ce que le jeu axial, c'est-à-dire le mouvement relatif des corps de roulement par rapport aux couronnes de roulement des paliers radiaux dans le sens de l'axe du tourillon, soit largement évité lors d'une accélération transversale sans couple dans les paliers radiaux. Sous l'effet d'une force axiale, l'armature adopte un comportement semblable à celui d'un boulon à tige élastique Dans le logement du cardan a lieu un déplacement axial du bouchon de paliers dans la direction d'action de la force opposée à l'axe du cardan et par le pa- lier de butée le long de l'axe du tourillon en raison de l'allongement provoqué par la force En même temps le bouchon de palier appuyé contre la demi-fourchette du cardan opposé est pressé respectivement contre le logement du cardan ou contre la demi-fourchette du cardan La face et la surface intérieure du bouchon de palier sont exposées à une forte usure dans la zone des bords en raison du déplacement axial du bouchon de palier, du fait que le bouchon est pressé con- tre la demi-fourchette du cardan opposé pour induire les forces axiales sur la première fourchette, et en raison du changement ininterrompu de ces états de fonctionnement sur le bouchon La corrosion par contact, l'usure des joints d'étanchéité et l'usure par abrasion provoquent un jeu indé- sirable. Le brevet GB 2 249 818 A révèle une forme constructive de cardan o le palier de butée a été décalé de sa position de montage conventionnelle à l'embase du tourillon vers un alésage disposé dans l'extrémité du tou- rillon La disposition du palier de butée dans l'alésage du tourillon offre l'avantage que le bourrelet du coussinet du palier radial peut être plus long et que l'on peut ainsi ga- gner de la place supplémentaire pour les corps de roulement du palier radial Afin de garantir un comportement optimal sous sollicitation du palier de butée, une bague d'appui élastique a été prévue dans la disposition des paliers, qui s'ajuste automatiquement sous charge Dans cette forme cons- tructive les forces radiales ou axiales dirigées dans le sens opposé à l'axe, sont induites dans la demi-fourchette contre laquelle la force axiale est également dirigée Les inconvénients de cette forme constructive réside dans la plus grande complexité de fabrication, de montage et de mainte- nance, ce qui se traduit par une augmentation des frais De plus l'optimisation du comportement sous sollicitation, du palier de butée dépend de la conception de la bague d'appui. L'invention consiste à résoudre la conception d'un accouplement à croisillon, dit cardan, du type dans lequel: a) deux fourchettes sont pourvues de logement pour les tou- rillons du croisillon, b) chaque tourillon du croisillon est logé à l'aide d'un palier radial et d'un palier de butée particulier dans un le logement de fourchette correspondant qui est pourvu d'un bouchon de palier, c) le coussinet de chaque palier radial comporte un bourrelet qui s'étend vers l'axe du tourillon, d) la face d'extrémité du tourillon comporte un alésage (alésage du tourillon), e) le bourrelet s'étend vers l'axe au-delà du bord inté- rieur de l'alésage du tourillon, f) un palier de butée est disposé à l'intérieur de l'alé- sage du tourillon, de façon à éviter les inconvénients précités, à réduire le nombre des éléments et les travaux de montage, à allonger la durée de vie tout en augmentant les couples à transmettre à travers la disposition des arbres articulés grâce à l'élévation de la résistance de portée surtout de la résistance dynamique de portée et de façon à obtenir ainsi un gain d'espace de montage disponible pour les pa- liers En même temps on souhaite réaliser la construction de telle façon que les forces axiales soient toujours appuyées contre les moitiés de fourchette du cardan avec la direction d'action dans le sens de l'axe du cardan, c'est-à-dire que les pièces d'arrêt axiales pour les différentes bagues de palier peuvent être omises et qu'aucun élément de transmis- sion n'est nécessaire à la transmission des forces axiales dirigées dans le sens contraire à l'axe du cardan par le che- min le plus court sur la fourchette du cardan Cela signifie que la force axiale est toujours induite sur la fourchette du cardan en tant que force de pression La fonction assurée par l'armature tirante de DE 36 44 204 (appui d'une force transversale sur la demi-fourchette du cardan qui se trouve opposé à la demi-fourchette du cardan située dans la direction d'action de la force) et la précontrainte définie des paliers de butée doivent être réalisées par des moyens de construction plus simples, c'est-à-dire par la construction de cardan à croisillon composée de peu de pièces faciles à façonner et en plus faciles à monter L'usure aux faces des bouchons de palier et dans le palier radial qui, sur les réalisations conventionnelles, est due au déplacement axial, doit être réduite. Ce problème est résolu par les caractéristiques distinctives suivantes g) une couronne de roulement du palier de butée est formée par la surface du bourrelet qui est tournée vers l'axe du cardan, tandis que h) l'autre couronne de roulement est formée sur une pièce raccordée au bouchon de palier ( 16), grâce auxquelles le changement de la position de montage du palier de butée dans un alésage de l'extrémité du tourillon et la réalisation inventive de la disposition constructive des paliers ont pour effet que les forces axiales dirigées dans le sens de l'axe du tourillon et dans le sens contraire à l'axe du cardan sont appliquées contre la demi-fourchette opposée à la demi- fourchette se situant dans le sens de la direction d'action de la force Le palier de butée situé dans le sens de la direction d'action des forces axiales est déchargé Les forces axiales sont induites dans la fourchette du cardan en tant que forces de pression. Les paliers de butée sont, dans leur position de montage, déjà soumis à une précontrainte dé- finie, qui est choisie de manière que dans des conditions normales d'utilisation un jeu axial est évité lors du dé- chargement du palier de butée, c'est-à-dire que la précon- trainte d'un palier n'est pas neutralisée lors de son dé- chargement. L'usure sur les faces des bouchons de palier et dans le palier radial due aux déplace- ments axiaux qui surviennent, se trouve réduite par rapport à d'autres systèmes de cardans à croisillon connus Un autre avantage de la solution de l'invention est la réduction de l'importance des travaux de fabrication et de montage grâce au nombre réduit des pièces de construction simple. La solution proposée par l'in- vention sera mieux comprise à la description qui va en être faite en relation avec les figures des planches annexées, dans lesquelles la fig 1 est une coupe d'un cardan, ou accouplement à croisillon, suivant un plan conte- nant l'axe des tourillons et perpendiculaire à l'axe du car- dan les fig 2 a et 2 b illustrent schématiquement un bouchon de palier subissant des déforma- tions survenant à la fourchette du cardan et aux différents paliers dans le plan des deux tourillons, et dans le plan des quatre tourillons, respectivement. Sur la fig 1 le cardan comporte une fourchette 1 composée de deux demifourchettes 21 et 22 entre chacune desquelles se trouve logé un croisillon 3 mo- bile dans chacun des alésages de roulement 2 et 23 à l'aide d'un palier à roulement Pour la réalisation du logement des paliers dans les deux moitiés de fourchette 21 et 22 la des- cription suivante utilise les mêmes références pour les mêmes éléments Les axes 4 des tourillons du croisillon 3 peuvent être disposés dans un même plan ou être décalés dans deux plans parallèles l'un à l'autre Le palier à roulement de chaque tourillon se compose d'un palier radial 5 avec une bague extérieure 6, des rouleaux 7 et d'une bague intérieure 8 réalisée en coussinet avec bourrelet et supportant un pa- lier de butée 9 disposé à l'intérieur d'un alésage 10 ménagé à l'extrémité du tourillon Le bourrelet du coussinet 8, qui s'étend vers l'axe du tourillon en dépassant radialement le bord intérieur de l'alésage 10, comporte une surface 11 qui fait face à l'axe 19 du cardan Les rouleaux 12 du palier de butée 9 tournent sur cette surface il de bourrelet (surface de roulement) et sur une surface de roulement extérieure 13 qui est ménagée sur une pièce 14 reliée au bouchon de palier. De préférence la surface 11 se trouve un peu en saillie dans l'alésage 10 du tourillon, mais peut être également réalisée comme un prolongement en porte-à-faux de la surface d'appui du coussinet sur le côté frontal du tourillon. Le coussinet 8 à bourrelet est engagé en force sur le tourillon et est en outre fixé sur le tourillon par les vis 15 La pièce 14 est fixée par vis sur le bouchon de palier 16 dont la face interne 17 porte à sa périphérie sur la bague extérieure 6 du palier radial 5 La bague extérieure 6 du palier radial 5 peut être enfoncée dans le sens de l'axe 4 du tourillon vers l'axe 19 du cardan arti- culé jusqu'à venue en butée Comme le montre la figure 1, cette butée peut être de préférence un épaulement 18 de la bague extérieure 6, épaulement qui fait saillie dans le sens opposé à l'axe du tourillon et porte sur la fourchette de l'accouplement 1. Les forces axiales engendrées par l'accélération transversale agissant dans le sens de l'axe 4 du tourillon, dans le sens opposé à l'axe 19 de l'accouple- ment et, dans l'exemple dans le sens de la demi-fourchette 21, provoquent le déchargement du palier de butée 9 situé dans ce sens, et la sollicitation du palier de butée situé du côté de la demi-fourchette 22, dans le sens de l'axe du tou- rillon et à l'encontre de l'action des forces axiales Le pa- lier déchargé peut être appelé dans cet état de fonctionne- ment "palier passif", et le palier sollicité "palier actif". Dans cette réalisation une force axiale agissant dans le sens de l'axe 4 de tourillon, à l'encontre du sens de l'axe 19 du cardan articulé et vers la demi-fourchette 21, provoque une neutralisation des forces de traction agissant dans ce sens sur les fixations par vis 15 et entraîne ainsi un décalage axial de la surface du bourrelet 11 du palier de butée Il n'y a pas de transmission d'effort à travers ce palier de bu- tée En même temps les vis de fixation 15 de l'autre demi- fourchette 22 opposé sont davantage soumises à l'effort de traction Il se produit une addition de la force de traction présente dans la fixation par vis 15 et de la force de trac- tion agissant sur le tourillon, qui conduit à une sollicita- tion en compression du bourrelet 8 du coussinet La force axiale s'exerce, à travers le bourrelet 8 sollicité en com- pression, à travers le palier de butée 9, à travers la pièce 14 reliée au bouchon 16 qui sert de bague extérieure au pa- lier de butée 9, et à travers le bouchon 16 dont la face porte dans sa zone extérieure sur la surface 17 de la bague extérieure du palier radial 5, finalement sur la demi-four- chette 22 du cardan. La déformation des éléments de construction d'un cardan à croisillon transmettant des cou- ples est, dans le sens circonférentiel de la force, tellement importante qu'un déséquilibre de la distribution de la charge est provoqué, et que seulement une petite partie de la cote de portée possible peut être utilisée Le défaut de la configuration paraléllépipédique entraîne une fatigue précoce des couronnes de roulement et des corps de roulement et/ou des déformations plastiques et leurs conséquences (pitting entre autres) En outre les cotes de portée dynamiques et statiques des paliers indiqués par le fabricant ne sont ga- ranties que pour les constructions de raccord de palier ri- gides Sur les fig 2 a, 2 b, afin d'assurer une configuration paraléllépipédique des couronnes de roulement du palier de butée lors de l'action d'une force périphérique, le bouchon 16 de la solution de l'invention est suivant DE 36 44 204, résistant à la flexion dans le plan des deux tourillons et flexible dans la direction d'action de la force périphérique ou du sens circonférentiel dans le plan des quatre tou- rillons. La fig 2 a illustre de manière schématique la vue de droite du cardan à croisillon correspondant à la fig 1 Le croisillon 3 est logé de manière mobile dans les alésages de roulement 2 et 23 des demi- fourchettes 21 et 22 Dans le cas illustré l'axe du cardan passe à travers le point d'intersection des axes des tourillons 4 Les deux axes des tourillons se trouvent sur un plan El Le bouchon 16 dans ce plan, c'est-à-dire dans la direction d'action de la force axiale, est résistant à la flexion. La fig 2 b illustre de manière schématique le comportement du bouchon sous l'effet de la force périphérique selon la vue I-I de la fig 2 a, si le bou- chon est dans ce sens, c'est-à-dire dans le sens circonféren- tiel du cardan, élastique ou flexible La configuration para- léllépipédique des couronnes de roulement des paliers de bu- tée est conservée. il R E V E N D I C A T I O N S 1. Accouplement à croisillon, dit cardan, du type dans le- quel: a) deux fourchettes sont pourvues de logement pour les tou- rillons du croisillon, b) chaque tourillon du croisillon est logé à l'aide d'un palier radial et d'un palier de butée particulier dans un logement de fourchette correspondant qui est pourvu d'un bouchon de palier ( 16), c) le coussinet ( 8) de chaque palier radial ( 5) comporte un bourrelet qui s'étend vers l'axe ( 4)du tourillon, d) la face d'extrémité du tourillon comporte un alésage ( 10) (alésage du tourillon); e) le bourrelet s'étend vers l'axe ( 4) au-delà du bord in- térieur de l'alésage du tourillon, f) un palier de butée ( 9) est disposé à l'intérieur de l'alésage du tourillon ( 1 O),caractérisé en ce que: g) une couronne de roulement ( 11) du palier de butée ( 9) est formée par la surface du bourrelet qui est tournée vers l'axe du cardan ( 19), tandis que h) l'autre couronne de roulement ( 13) est formée sur une pièce ( 14) raccordée avec le bouchon de palier ( 16); 2. Cardan à croisillon selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le bouchon de palier ( 16) est flexible dans le sens circonférentiel du cardan articulé (couple de résistance faible) et rigide dans la direction d'action des forces axiales (couple de résis- tance fort).