Brevet FR2728821A1 — publié le 19960705

La présente invention concerne un procédé pour réduire au moins localement le couple de rupture relatif (le couple de rupture par rapport à la limite de fatigue) dans la région de points de rupture théoriquement prévus sur des éléments de construction. Il est généralement connu que, par exemple dans des lignes d'entraînement par lesquelles le couple généré par un moteur est transmis à travers des lignes d'arbre, suite à une torsion, il peut se produire une déformation dans la ligne d'entraînement et conduire jusqu'à une rupture de torsion, à la suite de dysfonctionnements du côté entraîné de la machine, qui empêchent toute transmission du couple entre l'entraînement et la sortie, alors que la source d'entraînement continue à fonctionner. Cette rupture se produit alors en règle générale en des endroits qu'il est impossible de localiser avec précision par avance. Pour éviter cela et protéger contre la surcharge et ménager les éléments de construction voisins, le carter, les paliers, les sièges ajustés et autres boulonnages, on prend donc des dispositions préventives qui permettent d'interrompre localement la transmission du couple entre l'entraînement et la sortie. Ceci peut être mis en oeuvre: 1) par des accouplements mécaniques, par exemple des embrayages à friction, des accouplements à tige de rupture ou bague de rupture; 2) par des solutions hydrauliques, par exemple un assemblage arbre-moyeu pouvant être serré hydrauli- quement; 3) par des assemblages collés; 4) par des assemblages à insertion d'élastomères ou matières synthétiques; ou ) en prévoyant la présence d'un point de rupture théorique. Un exemple d'une solution mécano-hydraulique est l'intégration d'un accouplement de sécurité, par exemple celui connu par le document DE-OS.29.23.902, dans la ligne d'entraînement, cet accouplement qui serre hydrauliquement l'un contre l'autre les éléments conducteurs du couple, présente la forme d'un assemblage arbre-moyeu et se desserre, dans le cas d'une surcharge, par des moyens mécaniques. La présence de mécanismes complémentaires pour l'interruption du couple ayant la forme d'accouplements de sécurité, présente toutefois l'inconvénient d'une complexité constructive plus grande, car les différents éléments de machine situés dans la ligne d'entraînement doivent être ajustés à un tel accouplement en fonction des conditions de sa mise en place. Une possibilité plus simple consiste donc à prévoir la présence d'un point de rupture théorique. Tel point de rupture théorique est essentiellement dessiné à permettre de définir par avance la localisation d'une rupture possible survenant dans la ligne d'entraînement. De ce fait, il devient possible de localiser les dommages survenant en cas de sursollicitations et prenant la forme de ruptures, permettant ainsi de maintenir à un niveau aussi bas que possible les coûts inhérents à des travaux de démontage ou de restructuration éventuellement nécessaires par la suite. Les points de rupture théoriques peuvent être réalisés sous la forme d'entailles les plus variées, par exemple de découpes, d'incisions (gorges, rainures, perçages ou analogues), c'est-à- dire des réductions locales de la section transversale. Ces entailles peuvent se diviser en entailles uniques et multiples, ces dernières se composant d'entailles individuelles disposées en rangées ou parallèlement. En général, on entend par le terme entailles des points qui présentent des modifications brutales de leur section transversale ou de leur orientation, ou des réductions et accumulations de matières, ou bien des endroits o les propriétés élastiques d'un matériau changent brutalement. L'effet d'entaille, c'est-à-dire l'effet d'une entaille sur le champ des tensions et donc sur la résistance à la déformation et la solidité, est donc conditionner tant par la forme que par la nature du matériau. En même temps, le lieu o prennent place les tensions maximales dans la région de l'entaille est le fond de celle-ci. Sur les éléments de construction comportant des points de rupture théoriques, les valeurs limites des différentes résistances constatées dans la région de ces points de rupture sont différentes de celles constatées extérieurement à cette région. Les valeurs limites des différentes résistances sont plus basses dans la région du point de rupture théorique. Il est généralement admis qu'en matière de limite de fatigue, les tensions situées en dessous de cette limite ne provoquent pas de dommages vérifiables. Sur le plan de la solidité statique, les tensions situées au dessus de la limite élastique, provoquent des déformations plastiques. Les tensions situées au dessus de la limite de rupture ont pour conséquence une rupture brutale. Ces deux dommages mentionnés ont pour effet une défaillance immédiate. Dans la zone comprise entre la résistance statique et la limite de fatigue, c'est-à-dire en cas d'apparition de tensions dynamiques inférieures aux valeurs limites de la résistance statique mais supérieures à la limite de fatigue, on enregistre après un nombre déterminé de tensions alternées (durée d'utilisation) des ruptures par vibration. Ces ruptures déclenchées par fatigue ont pour origine des non-homogénéités du matériau et des concentrations locales de tensions sur la surface. Ces phénomènes sont caractérisés par une durée de vie courte. Les valeurs limites afférentes à la limite de fatigue ainsi qu'à la résistance statique dans la région des points de rupture théorique, se situent en règle générale à un niveau sensiblement plus bas que dans les zones non entaillées. Le point de rupture théorique, c'est-à- dire la réduction locale de la section transversale, est dimensionné, par exemple en cas de sollicitation de torsion, pour résister à la fatigue provoquée par un couple de torsion déterminé. Il en résulte en général une capacité de charge statique égale à au moins quatre fois le couple de charge dynamique. Pour une multitude de cas d'applications, en particulier sur des lignes d'entraînement de véhicules, ce rapport de rupture est toutefois totalement inacceptable parce que, malgré cela, des parties du système d'entraînement peuvent quand même subir des dommages. Pour cette raison, dans le passé, toute une série d'efforts ont été orientés dans différentes directions pour agir également sur les valeurs limites dans la région de ce point de rupture théorique, par exemple en optimisant les matériaux. Toutefois, jusqu'à ce jour, il n'a pas été possible d'obtenir le résultat souhaité à l'aide de mesures de ce type, parce que les limites imposées à de tels procédés sont principalement d'ordre économique. Les développements réalisés jusqu'alors pour mettre en oeuvre une protection contre la surcharge dynamique se distinguent soit par une sophistication très élevée en matière constructive et de la technique de fabrication, comme c'est le cas par exemple pour les solutions mécaniques, hydrauliques ou pneumatiques, soit ces développements se distinguent, malgré l'optimisation et le traitement des matériaux par des résultats très insatisfaisants sur le plan des caractéristiques des matériaux des pièces de machine dans lesquelles on souhaite intégrer un point de rupture théorique. En utilisant des accouplements de protection contre les surcharges, en particulier dans les solutions mécaniques, par exemple si l'on utilise un accouplement à tige de rupture, les valeurs de l'effort maximal admissible avant d'atteindre la limite de fatigue peuvent diverger très fortement sous l'effet de la corrosion de contact, qui conduit à la fatigue du matériau et décale donc la limite de fatigue vers des valeurs plus basses. Afin d'augmenter la capacité de résistance aux ruptures en cas de charge dynamique, c'est-à-dire la limite de fatigue, aux points subissant une forte sollicitation de flexion comme c'est généralement le cas dans la construction de machines, on dispose des procédés suivants, cités ci-après sans jugement de valeur: 1) thermochimiques: cémentation nitruration 2) thermiques: trempe au feu trempe par induction trempe au laser Un point commun de toutes ces méthodes de traitement est la génération de tensions de compression dans les zones critiques. Toutefois, pour ce qui concerne l'augmentation de la limite de fatigue d'éléments de construction relativement petits, ces procédés conservent plus ou moins leur légitimité, la rentabilité et la maîtrise des paramètres industriels définissant l'étendue de leur application. Pour les éléments de construction plus importants, ces limitations sont soit déjà dépassées, soit l'augmentation obtenue de la limite de fatigue n'a aucun rapport avec le coût, comme c'est le cas par exemple pour la nitruration. L'invention est donc basée sur le problème de réduire, en particulier dans le cas d'efforts de torsion, le couple de rupture relatif, c'est-à-dire le couple de rupture statique par rapport au couple de rupture concerné par la limite de fatigue. En même temps, il doit y avoir une réduction en pourcentage de la plage d'apparition des tensions dynamiques, inférieures à celles affectant la résistance statique, mais supérieures au maximum admissible dans le domaine de la limite de fatigue, c'est- à-dire que l'on propose que la plage de la limite de fatigue soit décalée en direction de la plage de la résistance statique, au bénéfice de la durée de vie. Conformément à l'invention, ce problème est résolu par la partie caractérisante de la revendication 1 Des modes de réalisation avantageux font l'objet des revendications secondaires. Une possibilité de mettre en oeuvre des déformations locales à froid sur des pièces ou des matériaux, sous la forme d'un compactage par martelage, est déjà connue par le document imprimé EP-0.180.855 B1. Ce document concerne un procédé et un dispositif pour augmenter la résistance à la fatigue de grands vilebrequins et de grands éléments de constructions analogues, soumis à des sollicitations dynamiques, par un martelage localement limité dans les zones soumises aux plus fortes sollicitations, telles que les gorges creuses, les entrées de perçages et les transitions entre plusieurs sections transversales. A cet effet, on produit dans des éléments de construction soumis à des efforts dynamiques, des tensions de compression au moyen de billages reproductibles. Sur ce document, on se base principalement sur le fait que des éléments de construction soumis à des efforts de flexion de torsion présentent, dans les transitions entre plusieurs sections transversales, des pointes de tension qui peuvent conduire à une rupture sur le côté du matériau si aucune contre- mesure adéquate n'est prise. Ceci s'applique aux sollicitations tant statiques que dynamiques. Le procédé décrit dans ce document se sert d'un dispositif de martelage hydraulique qui est guidé sur un pivot cylindrique de la pièce et maintenu par un aimant. Il comprend un corps de base comportant un piston hydraulique, une soupape de commande associée et un manostat pour mesurer la pression d'huile. Sur le corps de base, l'outil marteleur spécifique à la pièce est monté sous la forme d'un élément interchangeable. A l'intérieur de celui-ci est monté le coulisseau du guidage qui, à travers la tige de renvoi, agit sur les deux coulisseaux de compression guidés librement dans le plan d'impact. La direction de l'effet des coulisseaux de compression est orientée avantageusement sur la sollicitation maximale s'appliquant dans les rayons de transition. La force a pour premier effet, grâce à la disposition symétrique des coulisseaux de compression, de centrer le dispositif de martelage sur la pièce. La force de compression croissante conduit à des déformations partiellement plastiques, en forme de calottes, dans les rayons de transition. Lorsque la force de compression décroît, la pièce se retire élastiquement. Dans les zones proches de la superficie, le billage provoque une solidification. L'effet en profondeur ainsi obtenu de la tension de compression, qui en résulte, est un facteur important de l'augmentation de la limite de fatigue par ce procédé. L'effet du billage lui-même est influencé par la force de percussion, la résistance du matériau et les paramètres géométriques. Toutefois, ce procédé a été utilisé exclusivement pour augmenter localement la limite de fatigue du matériau. L'inventeur a reconnu que les informations -concernant l'élévation de la limite de fatigue, fournies par les procédés connus pour augmenter cette résistance, lors de sollicitations de flexion et de torsions s'appliquent également à l'élévation dans une proportion équivalente des résistances statique et dynamique et donc à la diminution du rapport entre la résistance statique et la limite de fatigue, à savoir la diminution du couple de rupture relatif, c'est-à-dire du rapport entre le couple de rupture en cas de charge statique et dynamique, et que ces informations sont précieuses, en particulier pour définir le profil exigé pour les points de rupture théoriques. Grâce à la déformation à froid localisée, conforme à l'invention, dans la région du point de rupture théorique, la tension maximale admissible en fonctionnement alterné s'élève d'une certaine quantité. C'est précisément de cette même quantité qu'augmente simultanément la tension maximale admissible en cas de sollicitation statique. De ce fait, la plage concernée par la limite de fatigue s'agrandit en faveur de la durée de vie. Ceci étant, l'extension en pourcentage de la plage de résistance dynamique est supérieure à l'extension en pourcentage de la plage de résistance statique. Il y a réduction du rapport de grandeur entre la fatigabilité statique et le couple dynamique. Si l'on souhaite une résistance dynamique constante, il est donc possible de réduire la section transversale, ce qui signifie que malgré une réduction de la section transversale, le même couple peut être transféré dans cette zone, toutefois avec une réduction de la résistance au choc et à la traction. Les efforts de compression propres sont obtenus par exemple par déformation à froid tel que billage, laminage ou martelage. Pour obtenir de manière sûre l'effet souhaité, il est nécessaire que l'action s'exerce à une profondeur aussi grande que possible. Ceci est réalisable de manière optimale en appliquant la déformation par martelage. La reproductibilité des différents paramètres du procédé garantit des résultats optimaux. Au moyen de la déformation à froid, on produit des efforts de compression équivalents aux efforts de compression propres maximaux qui, en règle générale, correspondent à la limite de rupture. Cet effort de compression peut être additionné à la résistance aux tensions alternées obtenues sur des éprouvettes de matériau non traité et donne de ce fait une valeur qui détermine la nouvelle valeur limite applicable à une défaillance par rupture de fatigue, c'est-à-dire la valeur maximale admissible pour des sollicitations dynamiques. En même temps, la valeur limite de la résistance statique à la rupture s'élève de la quantité de la tension de compression propre maximale. La plage de la durée de vie, c'est-à-dire la plage comprise entre la limite de fatigue et la résistance statique reste conservée pour ce qui concerne sa grandeur lorsqu'il s'agit d'éprouvettes non traitées, mais se décale en direction de valeurs de tensions plus élevées. La production de tensions de compression propres sur l'élément de construction conduit donc à ce que la limite de fatigue se décale en pourcentage vers des valeurs beaucoup plus élevées que la résistance statique. Le rapport entre la tension supportable dans la plage de résistance statique et la tension supportable maximale dans la plage de la résistance à la fatigue se réduit par rapport à un élément de construction analogue non traité. La déformation à froid peut être mise en oeuvre de différentes façons. Des procédés tels que le compactage par martelage, connu par le document précédemment cité, par billage ou par laminage, peuvent être envisagés. Pour le traitement d'un élément de construction compact, de préférence un élément de construction cylindrique, c'est le procédé de laminage qui est recommandé. Si l'on souhaite simplement élever localement les valeurs des tensions supportables, le procédé de déformation par martelage convient tout particulièrement. Celui-ci prévoit la mise en place localement de petites billes qui sont introduites au moins partiellement, par martelage dans l'élément de construction. Cet effet peut être encore multiplié par un traitement complémentaire du matériau, par exemple une opération de trempe avant la déformation à froid. Au moyen de la production de tensions de compression, conforme à l'invention, il est possible d'ajuster aux cas particuliers les tensions supportables générées par des sollicitations de torsion, de flexion ou composées sur des matériaux considérés dans la région de points de rupture théoriques, ce qui est très avantageux d'un point de vue économique. Par ailleurs, un élément de construction déformé à froid se distingue par une plage de longévité plus réduite par rapport à un élément de construction réalisé en un matériau qui présente déjà la valeur souhaitée pour sa résistance à la torsion ou à la flexion. En améliorant les points de rupture théoriques, il est essentiel de tenir compte de la situation de ce point de rupture, de sa profondeur ainsi que de la profondeur complémentaire d'empreinte après le compactage par martelage et des déformations éventuellement possibles. Ce point de rupture théorique devrait être disposé en des endroits o l'élasticité propre est plus faible. A titre d'exemple, dans une ligne d'entraînement passant dans des éléments de construction transmetteurs du couple, par exemple des lignes d'arbres à cardans, on devra prévoir le point de rupture théorique à traiter si possible sur la 1! partie de la machine disposée radialement plus loin à l'intérieure. La conformation, la disposition et en particulier la profondeur du point de rupture théorique seront définies de telle sorte que la section transversale résiduelle de la partie de machine dans la région du point de rupture théorique puisse absorber les tensions de compression générées et ne les transforme pas en déformations. Conformément à l'invention, la solution de ce problème est expliquée ci-après en référence au dessin annexé. Sur celui-ci est représenté par ailleurs ce qui suit: la figure 1 montre un diagramme présentant les valeurs de résistance avant et après la déformation à froid d'un matériau sélectionné; la figure 2 montre un cas d'application du traitement d'un point de rupture théorique, en prenant pour exemple un arbre articulé télescopique; les figures 3a et 3b montre des possibilités de conformation de points de rupture théoriques. La figure 1 présente, à l'aide d'un diagramme, les valeurs caractéristiques obtenues par un procédé conforme à l'invention pour le matériau 42 CrMo 4. Ce matériau présente dans le détail les valeurs caractéristiques suivantes qui sont extraites du manuel technique suivant: Winkler; Aurich: Technische Mechanik >, VEB Fachbuchverlag Leipzig 1987. rupture (essai de traction) 8 t s = 1100 N/mM2l (Rm) rupture (essai de traction) (arbre-menant 800-950 N/mM2) F = 980 N/mm2 limite élastique/0,2 (plastic âsS/F = 900 N/mm2 -limite de plasticité de flexi zF = 500 N/mm2 plasticité de torsion bw = 520 N/mm2 flexion alternée B2dw = 420 N/mm2 compression traction alternée 310 N/MM2 torsion alternée = 800 N/mm2 gonflement de flexion 62sch = 680 N/mm2 gonflement de traction Ttsch = 500 N/mm2 gonflement de torsion De la relation rt.4/s = 0,28 résulte une valeur de tcdynjpjqclt aissible de 280 N/mm2. Pour l'élément de construction non traité, on obtient donc la relation suivante: statique/tclyf iq = 3,57. Dans le diagramme, sur le côté gauche, sont indiquées sous I les valeurs pour tavnqe et t.,ajique du matériau non traité. En comparaison, sur le côté droit au point II sont indiquées les valeurs de tdy.que et tstatiq. du matériau traité, de préférence compacté par martelage, si une tension propre de compression maximale de 460N/mu2 a été produite. Lors d'une déformation éventuelle par martelage, en particulier dans le cas d'une solidification les valeurs des tensions admissibles ou des valeurs maximales supportables augmentent jusqu'à atteindre le niveau de la tension de compression propre maximale. Ceci a pour effet que la résistance aux efforts permanents de torsion ayq.e croît en pourcentage d'une quantité plus importante que la tension de torsion r.taiq. maximale admissible. Cela signifie que par rapport à des matériaux non traités, aussi bien dans la plage de résistance à la fatigue que dans la plage de la résistance statique, des tensions beaucoup plus élevées sont supportables, mais que la plage de la durée de vie se réduit en pourcentage. La figure 2 montre un cas d'application pour l'amélioration d'un point de rupture théorique en prenant pour exemple un arbre articulé télescopique. La figure 2 montre un assemblage arbre-moyeu pour la transmission de machine 3. La première partie de machine 2 est dans ce cas accouplée à un arbre moteur non représenté et sert à transmettre le couple à la partie de machine 3, laquelle est en liaison au moins indirecte avec la ligne de sortie. La première partie de machine 2 constitue dans ce cas l'arbre, tandis que la deuxième partie de machine 3 exerce la fonction du moyeu. La transmission du couple s'effectue à travers des galets de came 4 montés sur roulement qui s'appuient sur des corps cylindriques 5 montés dans la partie de machine 2 et qui peuvent être déplacés en direction axiale dans des rails de guidage 6 se trouvant dans la deuxième partie de machine 3. Le déplacement télescopique constitue dans ce cas une possibilité simple de réalisation d'un ajustement axial en longueur. Dans la partie de machine 2 est prévu ce que l'on appelle un point de rupture théorique 7 destiné à la protection contre une surcharge du couple dans la ligne motrice. Ce point de rupture théorique est disposé dans la région de la section transversale la plus grande de la partie de machine 2 car en cet endroit, il y a présence d'un couple de résistance plus élevé et lors de la déformation à froid, de préférence réalisée au moyen d'une solidification par martelage, il n'y a pas apparition de déformations en direction axiale. La conformation, et en particulier la profondeur du point de rupture théorique, doivent être définies de telle sorte que la section transversale résiduelle dans la région de ce point de rupture sur la partie de machine 2 soit conçue pour absorber les torsions de compression générées et ne les transforme pas en déformations de la partie de machine 2. Dans le cas d'une surcharge du couple, lorsque la résistance aux efforts alternés est atteinte ou dépassée, apparaît une rupture au point théorique prévu 7. Dans cette région, la partie de machine 2 est pour ainsi dire divisée en deux parties, une première partie 8 et une deuxième partie 9. La première partie 8 continue alors d'être entraînée par l'arbre d'entraînement, tandis que la deuxième partie 9 ne transmet aucun couple sur le moyeu 4 et donc sur la deuxième partie de machine 3. Le point de rupture théorique 7 est représenté sur la figure 2 sous la forme d'une entaille effectuée après la déformation à froid obtenue, de préférence par déformation par martelage. La figure 3a représente une nouvelle fois ce point de rupture théorique sous la forme d'un détail. Dans celui-ci, l'entaille est réalisée sous la forme d'une gorge avec un transfert 10 en gradins entre les sections transversales. Ce transfert 10 entre les sections transversales est obtenu par application et insertion par martelage dans le fond de l'entaille d'une bille non représentée et utilisée pour la déformation par martelage. Une autre possibilité est représentée sur la figure 3b. Dans cet exemple de réalisation, la déformation par martelage s'effectue de telle sorte que l'entaille, après application du procédé, présente simplement la forme d'une gorge sans décalages entre les sections transversales. La bille est dans ce cas appliquée et introduite par martelage dans le fond de l'entaille de telle manière qu'après la déformation par martelage les côtés de l'entaille initiale viennent se raccorder tangentiellement sur l'empreinte de la bille. REVENDICATIONS 1. Procédé pour réduire le couple de rupture relatif dans la région de points de rupture théoriquement prévus sur des éléments de construction, caractérisé en ce que l'élément de construction est soumis, dans la région du point de rupture théoriquement prévu, à un procédé de déformation à froid. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de construction est soumis au moins à une sollicitation de torsion. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la déformation à froid s'effectue par martelage. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la déformation à froid s'effectue par laminage. 5. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la déformation à froid s'effectue par grenaillage. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, avant sa déformation à froid, l'élément de construction est trempé au moins dans la région du point de rupture théoriquement prévu. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le point de rupture théoriquement prévu est disposé sur l'élément de construction dans des zones de rigidité élevée. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que: a) l'élément de construction est un constituant d'un assemblage arbre-moyeu; b) le point de rupture théorique est disposé de telle sorte que la section résiduelle de l'élément de construction qui subsiste dans la région de ce point de rupture théorique, se situe sur un diamètre réduit et présente une épaisseur de paroi suffisante pour des régions soumises ou non à des efforts de compression propres- 9. Application d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans un mode de réalisation du type télescopique d'un arbre articulé.