Brevet FR2792980A1 — publié le 20001103

ARRIERE PLAN DE L'INVENTION 1. Domaine de l'invention La présente invention concerne un joint universel homocinétique plongeant pour l'arbre de propulsion d'une au- tomobile. Un arbre de propulsion est utilisé pour transmet- tre un couple d'une transmission à un jeu d'engrenages diffé- rentiels dans un véhicule à quatre roues motrices ou dans un véhicule à moteur avant - propulsion arrière. Alors que l'utilisation d'arbres de propulsion de type à deux joints est courante, on utilise également des arbres de type à trois joints et de type à quatre joints, suivant la structure du véhicule et les exigences de spécification. Les joints universels homocinétiques sont gros- sièrement divisés en joints de type fixe qui ne permettent seulement qu'un déplacement angulaire entre deux arbres, et en joints de type plongeant qui permettent à la fois un dé- placement angulaire et un déplacement axial (plongement), ces derniers étant sélectionnés et utilisés suivant les condi- tions de fonctionnement, l'application et autres facteurs. La présente invention concerne un joint universel homocinétique de type à double décalage, parmi les joints de type plon- geant, qui est spécialement conçu pour l'arbre de propulsion d'une automobile et qui présente un poids et une taille ré- duits. 2. Description de l'art antérieur Le joint à cardan (joint universel utilisant un support en croix) est utilisé principalement pour les arbres de propulsion de véhicules à quatre roues motrices et de vé- hicules à moteur avant-propulsion arrière, sauf pour certains modèles de luxe. Cependant, la non uniformité de la caracté- ristique de transmission de couple du joint à cardan conduit à une mauvaise caractéristique NVH (niveau sonore) du véhi- cule. De plus, comme le joint à cardan ne comporte pas de mé- canisme plongeant, une clavette (ou cannelure) glissante est nécessaire dans l'arbre de propulsion pour absorber les chan- gements géométriques générés par un bond du véhicule ou ana- logue. Cependant, comme cette partie présente un jeu relativement grand et une résistance de glissement relative- ment élevée, une vibration inhabituelle telle qu'un glisse- ment de tige peut être générée lorsque la vibration ou glissement se produit pendant la rotation. Ainsi, il est con- nu que le confort de conduite du véhicule est compromis pour le passager qui est soumis à un bruit et/ou à une vibration inconfortables. Par suite, les joints universels homocinéti- ques ont été utilisés pour l'arbre de propulsion comme moyen d'améliorer la caractéristique NVH. Dans les trains d'entraînement de puissance d'automobiles, il y a eu beaucoup d'exemples d'utilisation de joints universels homocinétiques dans les arbres moteurs, et la majorité des joints universels homocinétiques utilisés dans les arbres de propulsion ont été ceux qui sont conçus pour une utilisation dans l'arbre moteur. Cependant, lors- qu'on compare les conditions de fonctionnement entre les ar- bres de propulsion et les arbres moteurs, le couple appliqué à un arbre de propulsion est d'environ la moitié de celui d'un arbre moteur, et la plage pratique d'angles de fonction- nement de l'arbre de propulsion est plus étroite que celle de l'arbre moteur. Ainsi, l'utilisation d'un joint universel ho- mocinétique conçu pour un arbre moteur, sur un arbre de pro- pulsion, peut être considérée comme surdimensionnée comparativement aux exigences de spécification de l'arbre de propulsion, de sorte que des améliorations supplémentaires restent à faire en termes de réduction de poids, de réduction de taille et de diminution du coût. De plus, comme l'arbre de propulsion tourne à une vitesse plus élevée que l'arbre mo- teur, il est souhaitable que le joint soit plus compact pour faciliter une rotation à grande vitesse. RESUME DE L'INVENTION La présente invention a donc pour but de créer un joint universel homocinétique plongeant pour arbre de propul- sion, qui soit plus léger, plus compact et qui soit capable de contribuer à l'amélioration de la caractéristique NVH du véhicule. La présente invention vise à améliorer un joint universel homocinétique léger et compact, conçu pour un arbre d'entraînement, de manière à réduire encore son poids et sa taille en le réétudiant spécifiquement pour une utilisation uniquement dans un arbre de propulsion. A cet effet, la présente invention concerne, se- lon un mode de réalisation, un joint universel homocinétique plongeant pour arbre de propulsion, caractérisé en ce qu'il comprend: * un élément de joint extérieur comportant huit rainures de guidage droites formées dans la direction axiale sur sa circonférence intérieure de forme cylindrique; * un élément de joint intérieur comportant huit rainures de guidage droites formées dans la direction axiale sur sa circonférence extérieure de forme sphérique, et des dents formées sur sa circonférence intérieure dans le but d'assurer l'accouplement avec un arbre; * huit billes disposées dans des pistes de bille formées par les rainures de guidage de l'élément de joint extérieur et les rainures de guidage de l'élément de joint intérieur; et e une cage comportant des creux pour loger les billes, une surface circonférentielle extérieure de forme sphérique convexe guidée par contact avec la circonférence inté- rieure de l'élément de joint extérieur, et une circonfé- rence intérieure de forme sphérique concave guidée par contact avec la circonférence extérieure de l'élément de joint intérieur, le centre de courbure de la circonférence extérieure de la cage et le centre de courbure de la cir- conférence intérieure de la cage étant décalés des deux côtés opposés (double décalage) dans la direction axiale, par rapport au centre du creux, de façon que le rapport de la largeur W entre le centre de courbure de l'élément de joint intérieur et la face d'extrémité, au diamètre du cercle de pas Ds de la partie d'adaptation de l'élément de joint intérieur, soit réglé à W/Ds >0,27. On peut rendre le joint universel homocinétique plus léger et plus compact en le réétudiant spécifiquement pour l'utilisation dans un arbre de propulsion. En rendant la largeur de l'élément de joint intérieur plus petite que celle du joint conventionnel, on peut obtenir en particulier une réduction de la quantité de matériau utilisé et une réduction de poids. Comme le joint universel homocinétique de type à double décalage pour arbre de propulsion, nécessite une plage plus étroite d'angles de fonctionnement, une moins grande ré- sistance et une moins grande profondeur de pistes que celles d'un arbre moteur, on peut rendre plus petite la largeur de l'élément de joint intérieur en permettant ainsi de régler une largeur telle qu'elle permette une réduction de poids. La raison du réglage d'une valeur supérieure à 0,27 pour le rap- port (W/Ds) de la largeur W entre le centre de courbure de l'élément de joint intérieur et la face d'extrémité, au dia- mètre du cercle de pas Ds de la partie d'adaptation de l'élément de joint intérieur, vient de ce qu'on a constaté qu'on pouvait tenir compte de l'angle de fonctionnement re- quis pour le joint universel homocinétique pour arbre de pro- pulsion, lorsque le rapport (W/Ds) était supérieur à 0,27. Il est souhaitable que la valeur de W/Ds soit aussi petite que possible dans le but de réduire le poids et la taille et, à ce propos, il n'y a pas de raison fondamentale importante pour régler la limite inférieure de la valeur de W/Ds. Cepen- dant, il est nécessaire de régler la limite inférieure pour assurer le mouvement des billes nécessaire pour permettre l'angle de fonctionnement voulu. La limite supérieure est ré- glée au même niveau que dans le cas conventionnel. Les joints de type à double décalage ont en par- ticulier une résistance de glissement plus faible que la cla- vette de glissement. Ainsi, il est avantageux de monter le joint universel homocinétique de type à double décalage sur un arbre de propulsion, en ce qui concerne également l'amélioration de la caractéristique NVH. L'angle de fonctionnement admissible du joint est de préférence d'environ 150. Comme l'arbre de propulsion fonctionne avec un angle de fonctionnement normal plus petit, cet arbre peut être conçu avec un angle de fonctionnement restreint pour réduire la taille. Ainsi, la largeur de l'élément de joint intérieur peut être réduite car la zone de contact des billes sur la piste intérieure et extérieure, c'est-à-dire l'exigence de longueur axiale de piste du mouve- ment des billes, peut être réduite en diminuant l'angle de fonctionnement. Plus précisément, on peut obtenir une largeur de l'élément de joint intérieur qui permette l'angle de fonc- tionnement de 15 , en réglant une valeur supérieure à 0,27 pour le rapport W/Ds de la largeur entre le centre de cour- bure de l'élément de joint intérieur et la face d'extrémité, au diamètre du cercle de pas Ds de la partie d'adaptation de l'élément de joint intérieur. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un mode de réalisation re- présenté sur les dessins annexés dans lesquels: * la figure 1 est une vue en coupe agrandie d'une partie ca- pitale d'un élément de joint intérieur, destinée à expli- quer un mode de réalisation selon la présente invention; * la figure 2 est une vue longitudinale d'un arbre de pro- pulsion, représentant un joint universel homocinétique en coupe; * la figure 3 est une vue en coupe transversale d'un joint universel homocinétique de type à double décalage; * la figure 4 est une vue en coupe longitudinale suivant la ligne IV-IV de la figure 3; et * la figure 5 est une vue en coupe longitudinale, analogue à celle de la figure 4, sous un certain angle de fonctionne- ment. DESCRIPTION DETAILLEE DU MODE DE REALISATION PREFERENTIEL On décrira maintenant ci-après un mode de réali- sation de la présente invention en se référant aux dessins annexés. La figure 1 est une vue en coupe agrandie d'une par- tie capitale permettant d'expliquer le mode de réalisation de la présente invention. La figure 2 représente la vue globale d'un arbre de propulsion. Les figures 3 à 5 représentent un joint universel homocinétique plongeant de type à double dé- calage, la figure 3 représentant la vue en coupe transver- sale, la figure 4 représentant la vue en coupe longitudinale et la figure 5 représentant la vue en coupe longitudinale sous un angle de fonctionnement 0. On décrira tout d'abord la constitution d'ensemble de l'arbre de propulsion en se référant à la fi- gure 2. L'arbre de propulsion 1 est construit en montant des joints universels homocinétiques 5 et 6 aux deux extrémités d'un arbre intermédiaire 2. Le joint universel homocinétique situé du côté droit du dessin est de type plongeant, et le joint universel homocinétique 6 situé du côté gauche est de type fixe. Des bouts d'arbre 3 et 4 sont fixés d'un seul te- nant à l'arbre intermédiaire 2 des deux côtés de celui-ci, tandis que des éléments de joint intérieurs des joints uni- versels homocinétiques 5 et 6 sont reliés aux bouts d'arbre 3 et 4 par un accouplement à cannelures ou à clavettes, avec des anneaux de retenue montés pour éviter une séparation. Les bouts d'arbre 3 et 4 sont normalement des arbres pleins en acier, et l'arbre intermédiaire 2 est un arbre creux en acier ou en plastique renforcé de fibres (PRF). Le joint universel homocinétique de type à double décalage constituant un exemple du joint universel homociné- tique plongeant 5, comprend comme composants principaux un élément de joint extérieur 10, un élément de joint intérieur , des billes 30 et une cage 40, comme représenté aux figu- res 3 et 4. L'élément de joint extérieur 10 présente une forme cylindrique et comporte huit rainures de guidage 14 formées sur celui-ci de manière à s'étendre dans la direction axiale, ces rainures étant placées à intervalles égaux dans la direction circonférentielle d'une circonférence intérieure 12. Une collerette 16 est formée sur une extrémité de l'élément de joint extérieur 10, tandis qu'une ouverture pré- vue sur le côté de la collerette 16 est bouchée par une pla- que d'extrémité 18. L'élément de joint extérieur 10 est couplé par la collerette 16 à l'arbre d'une transmission ou d'un jeu d'engrenages différentiels d'une automobile. En va- riante, dans le cas d'un arbre de propulsion de type à trois joints ou de type à quatre joints, l'élément de joint exté- rieur 10 peut également être couplé à un autre arbre intermé- diaire. L'élément de joint intérieur 20 présente une cir- conférence extérieure 22 de forme sphérique convexe, et com- porte huit rainures de guidage 24 formées sur celui-ci de manière à s'étendre dans la direction axiale, ces rainures étant situées à intervalles égaux dans la direction de sa circonférence. L'élément de joint intérieur 20 est relié au bout d'arbre 3 par une partie d'adaptation 26 présentant une configuration dentée (cannelures ou clavettes). Les rainures de guidage 14 de l'élément de joint extérieur 10 et les rainures de guidage 24 de l'élément de joint intérieur 20 se correspondent mutuellement pour former des pistes de billes, avec une bille 30 logée dans chaque piste de bille. La bille 30, en étant interposée entre les rainures de guidage 14 et 24, transmet un couple entre l'élément de joint extérieur 10 et l'élément de joint inté- rieur 20. Les billes 30 sont logées dans des creux 46 formés à intervalles égaux le long de la circonférence de la cage 40. La circonférence extérieure sphérique convexe 42 de la cage 40 vient en contact linéaire avec la circonférence intérieure cylindrique 12 de l'élément de joint extérieur 10. La circonférence intérieure sphérique concave 44 de la cage vient en contact de surface sphérique avec la circonfé- rence extérieure sphérique convexe 24 de l'élément de joint intérieur 20. Le centre de courbure O1 de la circonférence extérieure sphérique convexe 42 de la cage 40 et le centre de courbure 02 de la circonférence intérieure sphérique concave 44 de cette cage 40, sont décalés d'une même distance f dans la direction axiale, par rapport au centre O du joint, des deux côtés opposés de celui-ci (voir figure 1). Lorsque le joint transmet un couple tout en pre- nant un angle de fonctionnement 0, comme représenté à la fi- gure 5, la cage 40 tourne et vient dans la position telle que la bille 30 roule sur la piste de bille suivant l'inclinaison de l'élément de joint intérieur 20, ce qui positionne ainsi toujours toutes les billes 30 dans un plan perpendiculaire à la bissectrice de l'angle de fonctionnement 0. Par suite, la distance entre le centre de la bille 30 et l'axe de l'élément de joint extérieur 10 est rendue égale à la distance entre le centre de la bille 30 et l'axe de l'élément de joint inté- rieur 20, en maintenant ainsi constante la vitesse de rota- tion du joint. De plus, lorsque l'élément de joint extérieur 10 et l'élément de joint intérieur 20 se déplacent l'un par rapport à l'autre dans la direction axiale, il se produit un glissement entre la circonférence extérieure 42 de la cage 40 et la circonférence intérieure 12 de l'élément de joint exté- rieur 10 qui sont en contact linéaire, ce qui permet d'obtenir un mouvement doux dans la direction axiale (plonge- ment). Une coiffe ou soufflet anti-poussière 52 réalisé en matériau souple est monté sur l'extrémité d'ouverture si- tuée à l'opposé de la plaque d'extrémité 18 de l'élément de joint extérieur 10. Le soufflet anti-poussière 52 n'est pas représenté à la figure 5. Ce soufflet anti-poussière 52 se monte en introduisant son extrémité de plus grand diamètre dans une extrémité d'un adaptateur métallique 54 adapté dans l'élément de joint extérieur 10 à l'autre extrémité de celui- ci, et en fixant l'extrémité de plus petit diamètre du souf- flet anti-poussière 52, à la périphérie du bout d'arbre 3 au moyen d'une bande de soufflet 56. Le soufflet anti-poussière 52 et la plaque d'extrémité 18 assurent l'étanchéité de l'intérieur du joint, en évitant ainsi que la graisse rem- plissant l'intérieur du joint s'échappe, et que des matières étrangères pénètrent à l'intérieur du joint. La figure 1 représente l'élément de joint inté- rieur 20 et les billes 30 en contact réciproque. La position de la bille 30 lorsque le joint prend l'angle de fonctionne- ment admissible maximum, est indiquée par une ligne en tirets et doubles points alternés. Le point (X, Y, Z) o la bille 30 touche la rainure de guidage 24, est donné par les équations suivantes: 2 2 (B2) X + (Y - Dp/2) = (DB/2) X = DB/2. sin c Y = Dp/2 - DB/2. cos a Z = f + Y. tan (0/2) o Dp est le diamètre du cercle de pas de la bille 30, DB est le diamètre de la bille 30, f est la distance de décalage et a est l'angle de contact entre la bille 30 et la rainure de guidage 24. Lorsqu'un couple est appliqué au joint, la bille n'est soumise à aucun dépassement ou chute tant que la zone de contact ovale (indiquée par une ligne en tirets et doubles points alternés) se trouvant au point de contact reste sur la face de paroi latérale de la rainure de guidage 24. En supposant que la marge à ce moment est B, la largeur W entre le centre de courbure 02 de l'élément de joint inté- rieur 20 et la face d'extrémité du côté de plus grand diamè- tre de la cage de l'élément de joint intérieur 20, peut alors être égale à (Z+B) ou plus. Lorsqu'on détermine la largeur W en tenant compte de la marge B et en réglant l'angle de fonctionnement admis- sible à 15 , on calcule le rapport W/DS de la largeur au dia- mètre du cercle de pas DS de la partie d'adaptation 26 de l'élément de joint intérieur 20, et les résultats obtenus sont indiqués dans le tableau 1. Le rapport de diamètres ex- térieurs du tableau 1 représente l'importance de la réduction de taille sur la base du diamètre extérieur Do de l'élément de joint extérieur 10. On montre que la taille peut être ré- duite d'au moins deux niveaux en réglant le rapport W/DS à une valeur supérieure à 0,27. Les diamètres des billes sont tous réduits de quatre niveaux. La taille (nominale) se ré- fère au diamètre d'arbre minimum, et celui ayant un diamètre d'arbre minimum de 0,75 est désigné par la taille nominale de 75. Tableau 1 Taille (Nominale) 75 87 100 Article selon la présente 5,87 7,29 8,53 invention Article selon l'art anté- 10,5 10,975 14,0 rieur _ Article selon la présente 0,274 0,284 0,299 invention W/Ds Article selon l'art anté0,489 0,427 0,489 rieur Réduction de Réduction Réduction Rapport de diamètres taille de de taille de taille extérieurs niveau 2 de niveau de niveau niveau 23 3 3 Diaètrex u 069,0 - 079,0_ 089,0- Damtre extreur 061,5 069,0 079,0 c Réduction Réduction Rapport de diamètres Rducton de de taille de taille des billes niveau 4 de niveau de niveau niveau 44 4 A Dans le joint universel homocinétique de type à double décalage de ce mode de réalisation, le nombre de billes 30 est de huit (voir figure 4) de sorte qu'une bille reçoit une plus petite proportion de la charge totale appli- quée au joint, que dans le cas de l'utilisation de six billes. En conséquence, on peut rendre le diamètre Ds des10 billes 30 plus petit que celui du joint conventionnel ayant la même taille nominale, tout en conservant la même épaisseur de paroi de l'élément de joint extérieur 10 et la même épais- seur de paroi de l'élément de joint intérieur 20, que dans le cas du joint conventionnel. On peut également rendre la va- leur de DB/DS plus petite que celle du joint conventionnel (dont la valeur est couramment DB/DS 2 3,2) présentant la même taille nominale, tout en conservant une résistance, une capacité de support de charge et une durabilité analogues ou supérieures à celles du joint conventionnel, ce qui réduit encore la dimension extérieure Do. Lorsque le diamètre de pas Ds de la partie d'adaptation 26 de l'élément de joint inté- réduire le diamètre extérieur Do de trois niveaux en termes de taille nominale. On vérifie également par l'expérience que le joint de la présente invention génère moins de chaleur que le joint conventionnel. Comme décrit ci-dessus, dans le joint universel homocinétique plongeant pour arbre de propulsion selon la présente invention, en réglant le rapport W/Ds de la largeur W entre le centre de courbure 02 de l'élément de joint inté- rieur 20 et la face d'extrémité du côté de plus grand diamè- tre de la cage de l'élément de joint intérieur 20, au diamètre du cercle de pas Ds de la partie d'adaptation 26 de l'élément de joint intérieur 20, à la valeur W/Ds > 0,27, on peut rendre la largeur de l'élément de joint intérieur dans la direction axiale, plus petite que celle du joint conven- tionnel, en réduisant ainsi le poids, la taille et le coût en matériau. De plus, l'arbre de propulsion muni du joint uni- versel homocinétique plongeant de la présente invention est réduit en poids et en taille dans la partie du joint, de sorte qu'il présente de meilleures performances de rotation à grande vitesse, et contribue à l'amélioration de la caracté- ristique NVH du véhicule. R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Joint universel homocinétique plongeant (5) pour arbre de propulsion (1), caractérisé en ce qu'il comprend: e un élément de joint extérieur (10) comportant huit rainu- res de guidage droites (14) formées dans la direction axiale sur sa circonférence intérieure de forme cylindri- que; * un élément de joint intérieur (20) comportant huit rainu- res de guidage droites (24) formées dans la direction axiale sur sa circonférence extérieure de forme sphérique, et des dents formées sur sa circonférence intérieure dans le but d'assurer l'accouplement avec un arbre; * huit billes (30) disposées dans des pistes de bille for- mées par les rainures de guidage (14) de l'élément de joint extérieur et les rainures de guidage (24) de l'élément de joint intérieur; et * une cage (40) comportant des creux (46) pour loger les billes, une surface circonférentielle extérieure (42) de forme sphérique convexe guidée par contact avec la circon- férence intérieure (12) de l'élément de joint extérieur (10), et une circonférence intérieure (44) de forme sphé- rique concave guidée par contact avec la circonférence ex- térieure (24) de l'élément de joint intérieur (20), le centre de courbure (01) de la circonférence extérieure (42) de la cage (40) et le centre de courbure (02) de la circonférence intérieure (44) de la cage (40) étant déca- lés des deux côtés opposés dans la direction axiale, par rapport au centre (0) du creux, de façon que le rapport de la largeur W entre le centre de courbure de l'élément de joint intérieur et la face d'extrémité, au diamètre du cercle de pas Ds de la partie d'adaptation (26) de l'élément de joint intérieur, soit réglé à W/Ds 20,27. 2 ) Joint universel homocinétique plongeant pour arbre de propulsion, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle de fonctionnement admissible du joint est de 15 .