Brevet FR2761038A1 — publié le 19980925

Mécanisme d'accouplement d'une crémaillère et de son pignon d'entraînement. Dans un véhicule automobile, le volant commande l'orientation des roues directrices à travers un engrenage constitué d'un pignon, solidaire de la colonne de direction, et d'une barre transversale à crémaillère, commandant l'orientation des arbres des deux moyeux de roue concernés. Afin d'assurer un accouplement correct, la crémaillère est plaquée sur le pignon par un mécanisme d'accouplement. Un tel mécanisme doit maintenir un accouplement sans jeu des dents engrenées, malgré les défauts d'excentricité du pignon, son jeu axial et l'usure des dents. En outre, il doit supporter sans destruction une percussion provenant d'une roue heurtant un obstacle et pouvant correspondre quasiment à la masse du véhicule. Le mécanisme d'accouplement comporte, de façon classique, un ressort hélicoïdal logé dans un carter pour repousser la crémaillère contre le pignon. Le ressort est comprimé entre un bouchon de butée, fermant son logement, et un embout coulissant de poussée sur la barre de crémaillère, sur lequel glisse celle-ci. L'embout est guidé en coulissement par une jupe qui le prolonge vers le bouchon et prend appui sur la paroi interne du logement. Une rondelle élastique de butée est interposée entre le bord libre de la jupe et le bouchon pour amortir les chocs retransmis par les roues. En outre, on prévoit des rondelle et anneau de calage du ressort et de la rondelle, respectivement, pour compenser les tolérances de fabrication et les dilatations des différentes pièces. Un tel mécanisme présente de nombreux inconvénients. Il n'est guère économique en pièces et main d'oeuvre et, en outre, son efficacité est limitée, car le rattrapage des tolérances, qui doit être réglé manuellement lors du montage, n'est jamais parfait. En particulier, il reste bruyant et la force de poussée sur la crémaillère est susceptible de varier au cours du temps, rendant la direction trop molle ou au contraire trop dure. La présente invention vise à réduire les inconvénients indiqués cidessus. A cet effet, l'invention concerne un mécanisme d'accouplement d'une crémaillère contre un pignon d'entraînmement en translation de la crémaillère, comprenant des moyens de poussée du pignon et de la crémaillère l'un contre l'autre, caractérisé par le fait que les moyens de poussée sont agencés pour exercer leur action suivant au moins deux degrés de poussée successifs. Ainsi, l'amortissement des vibrations et des chocs, qui tendent à désaccoupler la crémaillère du pignon et à produire les bruits, est accru puisque le deuxième degré de poussée se substitue au premier degré dès que les vibrations ou chocs excèdent les possibilités d'action du premier degré. On a ainsi une force de poussée accrue, accouplant mieux la crémaillère et le pignon et réduisant donc les bruits. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de deux variantes de réalisation préférées du mécanisme de l'invention, en référence au dessin annexé, sur lequel: - les figures 1 et 3 sont des demi-coupes longitudinales du mécanisme de l'invention selon les deux variantes respectives, et - la figure 2 représente des caractéristiques force/course de ressorts du mécanisme. Le mécanisme d'accouplement 10 de la figure 1, dont seule la moitié gauche, par rapport à un plan de symétrie longitudinal 20 de celui-ci, est représentée par souci de simplicité, sert à repousser un barreau de crémaillère 5, glissant sur lui perpendiculairement au plan de la figure, contre un pignon 1 d'entraînement en translation de la crémaillère 5 commandé par une colonne de direction 2. Le mécanisme 10 est monté solidaire d'un carter porté par le châssis d'un véhicule automobile, qui supporte la crémaillère 5 ainsi que le pignon 1 et la colonne de direction 2, représentés non coupés. Dans cet exemple, le carter comprend un logement 11 recevant le mécanisme 10. Bien que ce soit ce logement 11 qui est cité par la suite, on comprendra que seule est nécessaire la solidarisation par le châssis entre le mécanisme 10 et le pignon 1, formant contre-appui pour la crémaillère 5, pour plaquer ces deux dernières pièces l'une sur l'autre. Le mécanisme 10 présente ici une forme globalement cylindrique s'étendant, selon un axe 21 défini par l'intersection du plan 20 et du plan de la figure 1, sensiblement perpendiculairement à la direction de translation de la crémaillère 5. Le logement 11 se présente comme un puits de forme cylindrique correspondante, aboutissant à la crémaillère 5. Le mécanisme 10 comporte un piston 13, un bouchon de butée 12, solidarisable au logement 11 pour servir d'appui de butée à un ressort 17, poussant le piston 13 contre la crémaillère 5. Le piston 13, ici monobloc, est constitué d'une portion 14,, formant appui de repoussement de la crémaillère 5, et d'une portion 15 de guidage au coulissement de l'appui 14. La portion 15, cylindrique creuse, est guidée selon l'axe 21 par une paroi, solidaire du logement 11, précisément ici des nervures longitudinales équiréparties angulairement sur la paroi interne du logement 11. Il est ici prévu deux plaquettes de frottement 141, rapportées sur l'appui 14, présentant un faible coefficient de frottement par rapport à l'acier de la crémaillère 5. On peut utiliser toute matière autolubrifiante, par exemple du polytétrafluoréthylène (PFTE), du polyéthylène (PE) ou encore du polyéthylènetéréphtalate (PET), ce dernier pouvant aussi servir à fabriquer le piston 13 en entier. Dans cet exemple, la section de la crémaillère 5 n'est pas circulaire mais présente deux plats coopérant avec l'appui 14, disposés en V l'un par rapport à l'autre, afin que ce dernier bloque en rotation la crémaillère 5. A l'intérieur de la portion cylindrique 15 est logée, dans cet exemple, une masse de matériau amortisseur de vibrations 22, dans la zone située au dos des plaquettes 141. Le ressort 17 est logé, avec compression axiale, entre le bouchon 12 et l'appui 14. Le ressort 17 est ici d'un monobloc, en matériau élastique, ici du io caoutchouc thermoplastique tel que du polyuréthane ou du silicone, et comporte dans cette réalisation trois portions, 171, 172, 173, qui sont ici solidaires entre elles. Comme expliqué plus loin, les portions 171 et 172 poussent la crémaillère 5 suivant deux degrés de poussée successifs. Dans cet exemple, les portions 171 et 172 se présentent respectivement sous la forme d'un tampon et d'une jupe le prolongeant en entourant un évidement central 175. L'appui 14 est interposé entre le tampon 171 et la crémaillère 5, tandis que l'extrémité libre de la jupe 172 est en appui sur le bouchon 12. La portion 173 se présente sous la forme d'une collerette d'amortissement des chocs rattachée à l'extrémité libre de la jupe 172 et s'étendant entre le bord 16 de la portion de guidage 15 faisant face au bouchon 12 et ce dernier. Une protubérance radiale 174 de la collerette 173 (représentée hors contrainte) est en appui sous pression contre la surface interne du logement 11 pour assurer l'étanchéité. Le bouchon 12, en matière plastique, est constitué par exemple, de polyamide (PA), polysulfone (PSU), polyacétal (POM) ou encore polyétherimide (PEI). Il sert, comme indiqué, d'appui de butée au ressort 17, par solidarisation avec le logement 11 et ici plus précisément l'extrémité libre de celui-ci. Le bouchon 12, ici logé quasi entièrement dans le logement 11, comporte des ergots ou languettes flexibles 121 équirépartis angulairement et faisant saillie radialement, par rapport à l'axe 21, pour venir coopérer avec des évidements correspondants 111 du logement 11 lors de l'introduction du bouchon 12 dans celui-ci. Chaque ergot 121 est solidaire d'une languette 122, restant légèrement en saillie axiale du logement 11 une fois le bouchon 12 monté, pour permettre de faire manuellement fléchir radialement l'ergot 122 et le libérer de l'encoche 111, pour ensuite retirer sans entrave le bouchon 12. En plus de cette fonction purement mécanique de butée, le bouchon 12 assure aussi dans cet exemple l'étanchéité par sa paroi d'appui du ressort 17, qui est pleine. Le fonctionnement du mécanisme 10 va maintenant être expliqué plus en détails. Comme on l'a compris, le ressort 17, qui ne nécessite aucun réglage, plaque la crémaillère 5 sur le pignon 1 afin de rattrapper le jeu dû aux imperfections des pièces engrenées et aux chocs provenant des roues à travers la barre de crémaillère 5. Le ressort 17 présente, en l'absence de toute contrainte, une élongation telle que, une fois comprimé par le bouchon 12, il exerce une force F d'appui d'au moins 45 daN, c'est-à-dire supérieure à celle d'un mécanisme classique, et, de préférence, 60 à 80 daN (figure 2) ou même plus. La force résistante de frottement de la crémaillère 5 sur l'appui 14 étant par exemple fixée à 20 4 daN par les constructeurs automobiles, une force F d'appui de 80 daN, choisie dans cet exemple, impose de fixer à 0,25 le coefficient de frottement des plaquettes 141 par rapport à la crémaillère 5. Comme schématisé par le débordement du bord d'appui de la collerette 173 sur le bord 16, la collerette 173 est au repos légèrement écrasée axialement par le bouchon 12 pour rattrapper tout jeu et éviter une désolidarisation des pièces, qui serait une source de claquements. Cela assure en outre l'étanchéité axiale et contribue légèrement à la répulsion du piston 13. De ce fait, les trois portions 171, 172, 173 du ressort agissent concurremment, mais à des degrés divers selon la position du piston 13. Pour déterminer la forme du ressort 17, hors contrainte, permettant d'obtenir, par compression nominale, la force de rappel de 80 daN, on peut considérer tout d'abord le tampon 171 et la jupe 172 en série. On choisit une section et une longueur axiale de l'évidement 175 telle que la jupe 172, de section réduite, la plus écrasée, soit sensiblement (C1) en bout (côté course C élevée) de la partie linéaire R1 de sa courbe de compression en fonction de la force F appliquée, avec la plage Cd de variation dynamique nécessaire au rattrapage de jeu (course normale du piston 13, en l'absence de choc). Pour être rigoureux, la courbe RI représentée est en fait une caractéristique mixte, prenant d'autant plus en compte la valeur de raideur de la jupe 172 qu'elle est faible devant celle du tampon 171. La collerette 173 doit rester en léger appui sur le bord 16 du piston 13 et exerce donc un complément de force de rappel à prendre en compte. Elle aurait pu être constituée d'une pièce séparée. En cas de choc faisant reculer profondément le piston 13 vers le bouchon 12, la jupe 172 atteint rapidement son seuil de compression maximale et c'est alors le tampon 171, à raideur (R2) plus importante qui travaille à plein pour fournir un complément de force s'opposant au recul du piston 13, donc selon une caractéristique R2 force/compression à pente plus élevée. On a ainsi les deux degrés de poussée successifs. La collerette 173 a la même fonctionnalité (R3) que le tampon 171 mais avec une course moindre fournissant un troisième degré de poussée. Il aurait pu être prévu que la collerette 173 comporte elle aussi, un empilage de deux ressorts, donc en série, ayant des raideurs différentes, pour maintenir le contact, souhaité pour éviter un bruit de percussion, entre la collerette 173 et le bord 16 tout en limitant, de par la moindre raideur de l'un des deux ressorts ci-dessus la comportant, sa contribution à la force de rappel tant que le piston 13 est dans sa plage de course prévue. Comme le montre la figure 2, sur laquelle le segment de droite R0 représente la caractéristique d'un ressort de mécanisme d'accouplement de l'art antérieur, la pente à l'origine de la courbe R1 selon l'invention est plus faible que celle du segment R0. Le point de compression au repos P1 (80 daN) correspond donc à une distance de compression de repos C1 plus importante que celle, CO, du point P0 de la courbe R0. Le point P0 correspond ici à une force F de 40 daN et donc à un coefficient de frottement de 0,5 pour avoir la force de frottement de 20 daN requise. De par la pente réduite, la variation A F1 de force dans la plage de dynamique de course Cd du point P1 est moindre que celle, A F0, pour le point P0. Exprimé différemment, cette pente réduite autoriserait une plage de course dynamique bien supérieure à Cd, dépassant 1 mm dans cet exemple, sans variation excessive de la force F appliquée. La fermeté du volant est ainsi quasi constante, d'autant qu'il a été prévu que les plaquettes 141 soient en matériau résistant à l'abrasion, par exemple du plastique autolubrifiant, si bien que la course Cd maximale de rattrapage de jeu, qui était dans l'art antérieur d'environ 0,4 mm (0,2 mm de défaut d'excentricité ou saut de dents et 0,2 mm d'usure) est en fait réduite (non représentée) aux 0,2 mm de saut de dent. L'ensemble des autres pièces du mécanisme 10 hormis le ressort 17, est en matériau plastique à bonne tenue en température sur une plage étendue (40, + 130 C), résistant aux huiles, graisses et produits pétroliers et à faible absorption des liquides, en particulier hydrofuge. Afin de prévenir un affaissement par vieillissement de la portion 172 et de modifier, si besoin est, sa caractéristique mécanique, il peut être prévu un ressort hélicoïdal dans l'évidement 175, s'étendant selon l'axe 21 du mécanisme. Le guidage du piston 13 dans le logement 11 est assuré par ce dernier dans cet exemple. Il aurait pu cependant être prévu que ce soit le bouchon qui assure cette fonction, puisqu'il est solidarisé au logement 11, donc au châssis. Dans ce cas le bouchon comporterait en plus un appendice le prolongeant axialement (21) dans le logement 11. Cet appendice peut avoir la forme d'une jupe, éventuellement réduite à une cage formée de simples languettes longitudinales, de réception de la portion de guidage 15, la guidant axialement. Un guidage, interne au ressort 17, par des tiges axiales du bouchon traversant les portions 172 et 171 est aussi envisageable, de même qu'une seule tige centrale, l'évidement 175 étant alors de préférence excentrique. On conçoit que, dans ce cas, la ou les tiges de guidage ont une longueur telle qu'il subsiste un entrefer entre leur extrémité libre et l'appui 14 et que des tampons anti-choc peuvent être alors prévus dans ce ou ces entrefers pour se substituer à, ou coopérer avec, la collerette de butée 173. De même, la portion cylindrique 15 du piston 13 peut elle-même avoir une fonction de rattrapage de jeu et/ou d'amortisseur de butée c'est-à-dire que, exposé très schématiquement, sa paroi peut comporter, sur une certaine longueur axiale, une fente hélicoïdale pour former ressort, avec éventuellement plusieurs portions de raideurs différentes, afin d'obtenir une ou plusieurs des courbes du genre R1, R2 et R3. On peut ainsi supprimer tout ressort de butée, comme 173, le bord 16 étant alors appliqué en permanence sur le bouchon 12. 0 On remarquera que le mécanisme d'accouplement de l'invention peut, comme ici, servir à pousser la crémaillère contre le pignon ou, réciproquement, pousser le pignon ou son arbre contre celle-ci. D'une façon plus générale, et dans tout le domaine de la mécanique, le mécanisme de l'invention permet de mieux maîtriser l'accouplement de deux pièces appliquées l'une sur l'autre, qu'elles soient en appui simple ou bien engrenées, par un engrenage rotatif ou linéaire. On peut par exemple songer à une utilisation comme amortisseur d'un ressort lame supportant une charge variable. Par solidarisation, par exemple par collage, du ressort amortisseur (17) avec les deux pièces du mécanisme (12, 13) qu'il couple, on peut retourner le sens de la force qu'il exerce sur le piston et, par adjonction à ce dernier d'un croc, attirer toute pièce voulue. Dans ce cas, afin de limiter la contrainte d'étirement de la portion de ressort à faible raideur 172, il peut être prévu que la portion massive 171 soit légèrement réduite en diamètre pour former, à sa jonction avec la portion 171, un épaulement radial tourné vers le palier 14. Une réduction correspondante du diamètre intérieur du logement 11, dans sa partie proche du palier 14, permet alors de créer un épaulement tourné vers le bouchon pour limiter l'allongement de la partie affaiblie 172. On conçoit que, d'une façon générale, la forme de la section du ressort 17 peut être quelconque et qu'il en est de même pour la position relative des ressorts (171, 172) fonctionnellement empilés, dont la constitution de chacun ne dépend que des cas d'espèce. Le ressort 17 peut donc être en matériau naturellement élastique ou en un matériau, comme l'acier, auquel on a donné une forme permettant une déformation élastique suffisante, comme une hélice. Dans la variante de la figure 3, les éléments semblables à ceux de la figure 1 en portent la référence. Seules les différences d'avec la réalisation de la figure 1 sont exposées ci-dessous. Ces différences sont au nombre de deux. Elles portent, d'une part, sur l'appui 14, alors d'un seul tenant en matière plastique, donc exempt de plaquette rapportée (141), comme évoqué plus haut o il est indiqué que le piston 13 peut être fabriqué en entier en PET. L'appui 14 en une seule partie est ainsi en un matériau à faible coefficient de frottement. D'autre part, la forme du ressort, référencé 37, est différente. Le ressort 37 présente une forme tubulaire 372 tout du long avec, en bout, deux tubes opposés de centrage 123 et 143 appartenant respectivement au bouchon 32 et à l'appui 14. Une collerette 373, homologue de la collerette 173, ayant en pourtour une portion de joint d'étanchéité 374 (cf 174), s'étend radialement entre le bord 16 et le bouchon opposé 32. Comme le montre la figure 3, la partie tubulaire 372 est, au repos, à distance de la surface interne de la portion cylindrique 15 du piston 13, et présente dans cet exemple une forme externe bombée. De même, la collerette 373 n'est pas, au repos, pincée entre le bouchon 32 et le bord 16 et est ici à distance de ce dernier. En outre, dans cet exemple, elle présente une section variable, cette variation étant illustrée dans le sens radial pour la clarté du dessin, sous la forme quantifiée de deux étages. Le fonctionnement du mécanisme 30 est le suivant. Lors du recul du piston 13 vers le bouchon 32, le ressort 37 s'écrase axialement et la matière élastique, libre radialement, tend à fluer radialement donc transversalement à la détection de poussée du ressort 37. La partie cylindrique 372 se déforme ainsi en se dilatant radialement jusqu'à atteindre la surface interne de la partie cylindrique de guidage 15 du piston 13. La partie bombée favorise ici un flambage vers l'extérieur, par dilatation radiale, du ressort 37. Par rapport à une compression simple sans flambage, qui aurait cependant pu être prévue, la résistance à la compression du ressort 37 est ainsi réduite dès que la force axiale l'écrasant engendre le flambage. A partir du moment o la surface interne du guidage 15 est atteinte, le flambage ne peut quasiment plus avoir lieu et la résistance à la compression axiale du ressort 372 s'accroît donc (cf. portion R 2 de la figure 2). Ainsi, le ressort 37 vient par flambage au contact du guidage 15 qui en limite le flambage et le ressort 37 prend appui sur le guidage 15 pour repousser 0 l'appui 14 c'est-à-dire accroître (R 2) la variation de la force de rappel, lorsque celui-ci comprime le ressort 37 au-delà d'une course déterminée. Le guidage 15 fait ainsi office de cerclage du ressort 37. On conçoit que le ressort 37 pourrait avoir diverses autres formes, pleines ou évidées, éventuellement sans symétrie de révolution, dans la mesure o elles en permettent une expansion radiale jusqu'à une surface de limitation de celle-ci, située ou non au niveau de la section radiale du ressort subissant l'expansion radiale maximale. Indépendamment de ceci, la collerette 373 vient à être pincée par le bord 16 qui recule et, ayant une section variable, elle oppose au recul une force qui croît rapidement, à mesure, d'une part, que croît la compression des volumes déjà concernés et, d'autre part, avec elle, le pourcentage de surface comprimée de la collerette 373, c'est-à-dire des volumes de matière adjacents aux précédents, jusqu'à solliciter toute la masse de la collerette 373. Il s'agit donc de nouvelles ruptures de pente, (globalement R 3) venant en plus de celle (R 2) due à la partie cylindrique 372 du ressort. Il aurait de même pu être prévu, en plus ou à la place, une dilatation axiale, éventuellement par flambage, vers l'intérieur creux du ressort 37, jusqu'à une tige axiale d'appui solidaire du bouchon 32 ou de l'appui 14 ou même flottante. Il aurait même pu être prévu que la paroi interne du ressort 37 prenne appui sur elle-même lors de son expansion vers l'axe 20, c'est-à-dire que cette expansion étrangle le canal interne du ressort 37. Il REVENDICATIONS 1.- Mécanisme d'accouplement d'une crémaillère (5) contre un pignon (1) d'entraînement en translation de la crémaillère (5) comprenant des moyens de poussée (17, 37) du pignon (1) et de la crémaillère (5) l'un contre l'autre, caractérisé par le fait que les moyens de poussée (17, 37) sont agencés pour exercer leur action suivant au moins deux degrés (R1, R2) de poussée successifs. 2.- Mécanisme d'accouplement selon la revendication 1, dans lequel il est prévu des moyens d'appui (14), entre la crémaillère (5) et les moyens de poussée (17), contre lesquels frotte la crémaillère (5), et des moyens (15) de guidage des moyens d'appui (14). 3.- Mécanisme d'accouplement selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les moyens de poussée comprennent un tampon (171) en matériau élastique prolongé par une jupe (172) du même matériau à degré de poussée (RI) inférieur à celui (R2) du tampon (171). 4.- Mécanisme d'accouplement selon la revendication 3, dans lequel les moyens de poussée (171, 172) sont monoblocs. 5.- Mécanisme d'accouplement selon l'une des revendications 3 et 4, dans lequel la jupe de poussée (172) comporte une collerette d'amortissement (173). 6.- Mécanisme d'accouplement selon les revendications 2 et 5, dans lequel la collerette d'amortissement (173) s'étend entre les moyens de guidage (15) et des moyens de butée (12) pour le tampon (171) et la jupe (172) de poussée. 7.- Mécanisme selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel les moyens d'appui (14) et les moyens de guidage (15) sont monoblocs. 8.- Mécanisme selon la revendication 7, dans lequel les moyens de guidage (15) sont disposés dans un carter (11) fermé par un bouchon de butée (12) pour le tampon (171) et la jupe (172) de poussée. 9.- Mécanisme selon la revendication 8, dans lequel le bouchon de butée (12) est prolongé par une jupe de réception des moyens de guidage (15). 10.- Mécanisme selon l'une des revendications 2 à 9, dans lequel les moyens d'appui (14) portent une plaquette de frottement (141). 11.- Mécanisme selon l'une des revendications 2 à 9, dans lequel les moyens d'appui (14) sont réalisés d'une seule partie en un matériau à faible coefficient de frottement. 12.- Mécanisme selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel les moyens de poussée (37) sont agencés pour venir, par expansion transversale à leur direction de poussée, au contact de moyens (15) de limitation de l'expansion et prendre appui sur eux pour exercer leur poussée. 13.- Mécanisme selon la revendication 12, dans lequel les moyens de poussée (37) sont agencés pour se déformer par flambage. 14.- Mécanisme selon la revendication 12, dans lequel les moyens de guidage (15) intègrent les moyens de limitation. 15.- Mécanisme selon l'une des revendications 12 et 13, dans lequel les moyens de poussée (37) sont agencés pour constituer les moyens de limitation.