Brevet FR2763267A1 — publié le 19981120

PROCèDE DE FABRICATION D'ENGRENAGES SUR UN ARBRE CREUX DE BOITE DE VITESSES La présente invention concerne un procédé de fabrication d'engrenages sur un arbre creux de boîte de vitesses. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la réalisation de boîtes de vitesses pour véhicules automobiles. Les arbres de boites de vitesses sont des pièces massives, classiquement fabriquées à partir de barres rondes pleines en acier forgé. Les parties cylindriques sont tournées et rectifiées, les cannelures sont roulées et les pignons-engrenages taillés et rasés. L'ensemble de la pièce usinée est ensuite durci par traitement thermique classique. Les déformations d'ossature sont reprises par redressage et rectification des portées, cannelures et parfois des dentures. Les variantes pouvant être apportées à ce type d'arbres de boîtes de vitesses sont essentiellement obtenues par différentes géométries d'usinage des dentures. Cependant, il existe des besoins d'évolution qui sont, notamment - l'allègement du produit par l'utilisation de forme tubulaire afin de réduire l'inertie en rotation des pièces massives et arriver à une lubrification par irrigation interne pour réduire la traînée - la régularité d'engrènement obtenue par la concentricité des dentures conférée par les précisions des procédés de formage, de traitement de durcissement. Le principe de conception d'arbres allégés tubulaires a été proposé dans la demande de brevet allemand DE29.14.657. Sur ce type d'arbres, les différentes sections sont obtenues par martelage, ainsi que le profil en denture par formage sur le diamètre maximum du tube. La fonction d'engrènement est donc assurée par le profil de denture intégré à la paroi du tube. Le principe de conception d'arbres tubulaires à emmanchement de pignons est décrit dans la demande internationale PCT/DE-85/00223. L'emmanchement s'effectue sur des sections polygonales en trigone obtenues par martelage. Cette configuration d'emmanchement offre une section de matière limitée à trois lobes vis-à-vis de la transmission de couple. I1 convient cependant de remarquer que, dans le cas d'un arbre tubulaire composé de pignons-engrenages assemblés, les techniques de formage, de traitement et d'assemblage présentent des possibilités réduites sur des géométries d'arbres massifs et, de ce fait, ne permettent pas d'obtenir simultanément la précision de concentricité d'engrènement inférieur à 5/100 mm et la transmission de couple supérieure à 15 mkgs, sans avoir recours après l'assemblage à des opérations coûteuses de reprise. Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'engrenages sur un arbre creux de boite de vitesses, qui offrirait une nouvelle conception architecturale de la pièce afin que les techniques de formage, de traitement et d'assemblage puissent produire des pièces, à la fois plus précises et résistantes mécaniquement. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit procédé comporte les étapes suivantes - réalisation d'un arbre creux présentant au moins un profil extérieur d'entraînement en denture pour un pignon-engrenage, - réalisation d'au moins un pignon-engrenage rondelle présentant un profil intérieur d'emmanchement en denture, sensiblement congruent dudit profil extérieur d'entraînement dudit arbre creux, - emmanchement dudit pignon-engrenage rondelle par mise en coopération du profil intérieur d'emmanchement du pignon-engrenage rondelle et du profil extérieur d'entraînement de l'arbre creux. Ainsi, la solution proposée par l'invention repose sur une conception architecturale séparant les fonctions et les fabrications entre l'arbre creux-support et les pignons-engrenages. Du fait des fabrications séparées, les techniques de formage et de traitement sur pièces de géométrie plus simple permettent d'obtenir une plus grande précision. L'assemblage intervient en final sur des profils de denture spécifiques assurant simultanément la précision de concentricité et la résistance mécanique de l'arbre fini. Comme on le verra en détail plus loin, la conception de pignons-engrenages rondelles permet de les fabriquer en configuration empilée par formage à froid, puis de les durcir par traitement superficiel au défilé, ensuite de les assembler par emmanchement sur des profils réalisés sur les pièces séparées, et enfin de bloquer, par conformage de ces profils lors de l'emmanchement. En résumé, le procédé, objet de l'invention, repose sur la notion que les pignons-engrenages, de par leur conception en rondelles, peuvent être fabriqués par formage et traitement de précision, puis assemblés à l'état terminé sur un arbre creux tubulaire, lui-même à l'état terminé, suivant une configuration et un processus de fabrication assurant la précision et la résistance du produit fini. Le procédé de l'invention présente de nombreux avantages - au niveau du produit, l'arbre creux tubulaire permet d'alléger la mise en rotation, d'où montée en régime plus rapide du moteur et une accélération plus franche du véhicule. La précision dimensionnelle garantit une plus grande régularité d'engrènement et donc un silence de fonctionnement. Par ailleurs, les arbres tubulaires autorisent une lubrification par l'intérieur, ce qui permet de supprimer le barbotage occasionnant de la traînée. - au niveau du procédé, les opérations de formage, traitement et assemblage de l'arbre creux et des pignons-engrenages s'intègrent en juste à temps dans les lignes d'usinage. De plus, la précision de ces opérations évite les opérations de reprise, toujours coûteuses. Enfin, l'assemblage en final permet une modularité de diversité du produit à partir d'un arbre creux standard et de variantes de pignons-engrenages en aval de la gamme de fabrication. La description qui va suivre au regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure la est une demi-coupe d'un arbre creux mis en oeuvre dans le procédé de l'invention. La figure lb est une vue en coupe selon la ligne A-A de l'arbre creux de la figure la. La figure 2a est une vue en perspective d'un poinçon rotatif de formage des dentures extérieures de pignonengrenage rondelle de la figure 2d. La figure 2b est une vue en perspective d'un empilement d'ébauches de rondelles cylindriques pour la réalisation du pignon-engrenage rondelle de la figure 2d. La figure 2c est une vue en perspective d'une matrice filière de formage des dentures extérieures du pignonengrenage rondelle de la figure 2d. La figure 2d est une vue en perspective d'un pignonengrenage rondelle muni de dentures extérieures. La figure 2e est une vue de côté d'un dispositif de traitement induction haute fréquence de l'empilement de la figure 2d. La figure 2f est une vue en perspective d'une broche de coupe pour la réalisation du profil intérieur d'emmanchement du pignon-engrenage rondelle de la figure 2d. La figure 2g est une vue en perspective du pignonengrenage rondelle de la figure 2d muni d'un profil intérieur d'emmanchement. La figure 2h est une vue de face du pignon-engrenage rondelle de la figure 2g après traitement induction haute fréquence et brochage du profil d'emmanchement. La figure 3a est une vue de face d'un assemblage de l'arbre creux des figures la et lb et du pignonengrenage rondelle de la figure 2h. La figure 3b est une vue de détail de l'assemblage des cannelures montrées sur la figure 3a. Sur les figures la et lb, est représenté un arbre creux 100 dont la réalisation constitue une première étape d'un procédé de fabrication d'engrenages sur un arbre creux de boîtes de vitesses. Selon le procédé de l'invention, l'ébauche de l'arbre creux 100 est obtenue par une coupe à longueur d'un tube d'acier. Sur l'arbre 100, sont réalisés des profils extérieurs 110, 120, 130, 140 d'entraînement pour des pignons-engrenages 210, 220, 2301, 2302, 240. Bien entendu, le diamètre du tube d'acier est supérieur au diamètre intérieur d'emmanchement du pignonengrenage le plus grand, ici des pignons 2301 et 2302. Comme le montre plus particulièrement la figure lb, les profils extérieurs 110, 120, 130, 140 d'entraînement en denture de l'arbre creux 100 sont formés par des cannelures réalisées par extrusion directe du tube d'acier dans des matrices filières. Les profils extérieurs d'entraînement sont ensuite durcis par traitement superficiel par induction haute fréquence en sommet 111 des cannelures, telles que celles représentées sur la figure lb pour le profil extérieur 110 d'entraînement. Le martelage permet de calibrer pour obtenir des tolérances plus précises en cas de besoin de variation de section brutale occasionnée par le rapprochement de deux profils extérieurs d'entraînement, comme par exemple les profils 110 et 120 de la figure la. Les cannelures 150, 160 d'entraînement de l'arbre luimême sont également filées par extrusion directe, puis durcies par traitement induction. Les parties 170, 180 de roulement sont calibrées par martelage, puis durcies par traitement induction. Enfin, le filetage 190 de précontrainte de serrage est roulé sur le diamètre filé et des trous 111, 121, 131, 141 de lubrification sont pris. Les figures 2a à 2h montrent les différentes étapes de réalisation d'un pignon-engrenage rondelle 200 présentant un profil intérieur 213 d'emmanchement en denture dont on peut voir, en particulier sur les figures 2g et 2h, qu'il est sensiblement congruent au profil extérieur 110 d'entraînement de l'arbre creux 100 sur lequel le pignon-engrenage rondelle 210 doit être emmanché. A partir d'une barre cylindrique, on obtient des ébauches rondelles cylindriques 210 par forgeage à chaud et calibrage à froid. La figure 2b montre que les ébauches 210 sont empilées afin de procéder au poussage de cet empilement par filage direct à l'aide d'un poinçon rotatif 310, représenté sur la figure 2a, à travers une matrice filière 320, montrée sur la figure 2c, qui forme le profil hélicoïdal 214 de denture extérieure que l'on peut voir sur la figure 2d. Pour cela, il convient de synchroniser la vitesse de rotation du poinçon rotatif 310 avec la vitesse de descente de manière à imprimer aux rondelles 250, une schématique en hélicoïde en conformité avec la denture hélicoïdale 321 de la matrice filière 320. Ensuite, la denture extérieure 214 des pignonsengrenages rondelles 210 est durcie par traitement induction bifréquence au défilé selon le principe de la séquence décrite dans le brevet français FR-92.01493. Toutefois, selon la figure 2e, on procede non pas en statique, mais par défilé relatif des outillages inducteurs coaxiaux, Moyenne Fréquence (MF) 410 et Haute Fréquence (HF) par rapport à l'empilement des pignons 200. Pour cela, on décale les deux outils 410, 420 axialement sur une distance définie par la durée et la vitesse du traitement. De plus, pour s'affranchir des effets de bord de denture 214 présentant des différences de massivité qui produiraient des écarts de chauffage, il convient d'indexer les profils des dentures 214 afin d'offrir une continuité de matiere au défilé. Enfin, le profil intérieur 213 d'emmanchement à denture du pignon-engrenage rondelle 210 est formé par des cannelures réalisées par brochage à travers une broche 500 de coupe, puis durci par traitement superficiel par induction haute fréquence en sommet 211 des cannelures 213. Dans une dernière étape d'emmanchement illustré sur les figures 3a et 3b, le pignon-engrenage rondelle 210 est emmanché sur l'arbre creux 100 par mise en coopération du profil intérieur 213 d'emmanchement du pignonengrenage rondelle 210 et du profil extérieur 110 d'entraînement de l'arbre creux 100. Les deux profils de denture cannelée ont un module voisin de 1, comprenant des parties cylindriques en sommet 111, 211 et fond 112, 212 de cannelures de longueur développée nécessairement supérieure à la moitié de la circonférence du diamètre considéré. Lors de l'emmanchement, la concentricité radiale est assurée par le contact, respectivement des parties cylindriques durcies des sommets 111, 211 de cannelures 110, 213 de l'arbre 100 et du pignon-engrenage rondelle 210 avec les parties cylindriques de référence des fonds 212, 112 de cannelures 213, 110 du pignon-engrenage rondelle 210 et de l'arbre creux 100. Les blocages mécaniques axial et tangentiel sont assurés par l'imbrication mutuelle des cannelures 110, 213. La figure 3b montre que, pour ce faire, les flans 115, 215 desdites cannelures sont bombés afin, lors de l'emmanchement, d'avoir un surplus de matière au milieu des flans 115, 215 à écouler vers les fonds 112, 212 et sommets 111, 211 de cannelures. Mais, pour éviter d'altérer les références de concentricité des parties cylindriques en sommet et fond de cannelures, le profil des flans 115, 215 est tel que le volume de matière en surplus au milieu des flans à écouler soit inférieur au volume des vides 116, 216 à combler en sommet et fond de cannelures. Le positionnement axial est donné par la machine de montage. Le blocage mécanique intervenant à froid peut être sécurisé par enduction à la colle anaérobique, type loctite, remplissant les vides 116, 216, durcissant à l'air et résistant à la température et aux huiles d'utilisation. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'engrenages sur un arbre creux (100) de boîte de vitesses, caractérisé en ce que ledit procédé comporte les étapes suivantes - réalisation d'un arbre creux (100) présentant au moins un profil extérieur (110) d'entraînement en denture pour un pignon-engrenage, - réalisation d'au moins un pignon-engrenage (210) rondelle présentant un profil intérieur (213) d'emmanchement en denture, sensiblement congruent dudit profil extérieur (110) d'entraînement dudit arbre creux (100), - emmanchement dudit pignon-engrenage rondelle (210) par mise en coopération du profil intérieur (213) d'emmanchement du pignon-engrenage rondelle (210) et du profil extérieur (110) d'entraînement de l'arbre creux (100). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit profil extérieur d'entraînement en denture de l'arbre creux (100) est formé par des cannelures (110) réalisées par extrusion directe d'un tube métallique dans une matrice filière. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit profil extérieur (110) d'entraînement est durci par traitement superficiel par induction haute fréquence en sommet (111) des cannelures. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit profil intérieur d'emmanchement en denture du pignon-engrenage rondelle (210) est formé par des cannelures (213) réalisées par brochage à travers une broche (500) de coupe. 5. Procédée selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit profil intérieur (213) d'emmanchement est durci par traitement superficiel par induction haute fréquence en sommet (211) des cannelures. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le blocage à l'emmanchement du pignon-engrenage rondelle (210) est obtenu au moyen de cannelures (110, 213) à flans bombés (115, 215). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le volume de matière en surplus au milieu desdits flans bombés (115, 215) est au plus égal au volume de vides (116, 216).