Brevet FR2799519A1 — publié le 20010413

La présente invention est relative à un joint homocinétique fixe à billes, du type comprenant une première pièce principale constituée par une cloche destinée à être solidaire d'un premier arbre, la cavité cette cloche étant au moins partiellement sphérique et comportant six premières gorges, la ligne directrice de chaque première gorge étant contenue dans un plan axial de la cloche; - deuxième pièce principale constituée une noix destinée à être solidaire d'un second arbre, la surface extérieure de cette noix étant au moins partiellement sphérique et munie de six secondes gorges, la igné directrice de chaque seconde gorge étant contenue dans un plan axial de la noix ; - six billes reçues, respectivement, partiellement dans les paires desdites premières et secondes gorges; - une cage de maintien des billes dans le plan bissecteur du joint lors de la brisure de ce joint, cette cage comportant des surfaces extérieure et intérieure sphériques sensiblement conjuguées, respectivement, des surfaces sphériques de la cloche et de la noix, les lignes directrices desdites premières et secondes gorges étant constamment symétriques par rapport au plan bissecteur, les normales à ces lignes directrices au centre de la bille lorsque le joint est aligné formant un angle 2a, angle de pilotage. L'invention s'applique notamment aux transmissions des roues avant motrices de véhicules automobiles. Dans un joint homocinétique fixe (c' -à-dire axialement fixe) de transmission, les lignes directrices des gorges dans lesquelles circulent les billes, qui sont les organes de transfert du couple entre les deux pièces principales du joint, la noix et la cloche, sont généralement situées dans des plans axiaux régulièrement repartis. Pour la commodité de la fabrication par fraisage, voire rectification, desdites gorges, les lignes directrices sont souvent constituées par des courbes uniques, simples, telles que des arcs de circonférence. Le joint dit "Rzeppa" est représentatif de ces joints. Les gorges ont des lignes directrices qui sont sur toute leur longueur des arcs de circonférence; de façon pouvoir fonctionner à angle de brisure de joint faible voire nul, les arcs de circonférence ont des centres différents situés sur l'axe des deux pièces principales décalés symétriquement, pour la cloche et pour la noix, rapport au centre du joint. Ceci entraîne un croisement permanent des lignes directrices et, par suite, l'existence d un angle de pilotage de la position des billes, donc de cage. Pour des raisons diverses, on a été amené à repenser forme à donner aux lignes directrices des gorges. Ainsi, il faut citer la recherche de l'amélioration du prix de revient des pièces principales, en profitant des possibilités offertes par les méthodes et moyens modernes de fabrication tels que déplacement ou déformation du métal, tant à chaud qu'à froid. Dans ce cas, pour éviter une complexité excessive de l'outillage, il faut envisager des gorges sans contre-dépouille à l'entrée de la cloche. I1 faut aussi citer la recherche de profondeurs de gorges optimisées afin d'améliorer la portée des billes et/ou la résistance des pièces principales, en particulier de la noix. Ainsi, un autre joint connu du type précité, commercialisé par le groupe GKN sous la dénomination "UF", diffère du joint Rzeppa par le remplacement d'une portion des arcs de circonférence par une autre courbe, en principe une droite parallèle à l'axe de la pièce. Ceci permet l'obtention des gorges des deux pièces principales grâce à des moyens de fabrication modernes tels que l'extrusion à la place de l'usinage. Dans le type UF base, la cage reste emprisonnée sphériquement et matériellement par la cloche. Dans le joint dit "UFi", au contraire la cage n'est plus emprisonnée par la cloche, dont l'entrée est cylindrique ; il est donc nécessaire d'ajouter un moyen complémentaire de maintien de la cage, dont le plus simple est constitué par six cales rapportées et soudées dans la cloche. On peut également citer le A-2 745 615, dans lequel l'arc de circonférence se prolonge par une courbe telle qu'un segment de droite ou un arc une conique. Bien entendu, dans chacun de joints, les lignes directrices en question répondent toutes aux exigences incontournables suivantes - la symétrie pour les deux pieces principales (noix et cloche) dans lesquelles sont exécutées les gorges ; - l'existence d'un angle de pilotage suffisant pour un angle de brisure de joint nul ; cet angle est par exemple 2a = 14 ; et - la présence d'une tangente commune aux points de transition d'une courbe à l'autre. Cependant, ces solutions connues présentent en commun au moins une même anomalie : aux points de transition d'une courbe à l'autre, on passe d'un rayon de courbure ayant une valeur discrète à un rayon de courbure ayant une autre valeur discrète, voire infinie dans le cas d'une droite. Par suite, le passage d'une bille au point de transition provoque un jerk (dérivée de l'accélération par rapport au temps), qui est d'autant plus important que la vitesse de passage de la bille, dans le sens longitudinal de la gorge, est plus grande, et que la difference entre les rayons de courbure est plus élevée. Un phénomène analogue de jerk se produit lors de la fabrication de l'outillage de réalisation des gorges. Au total, les gorges subissent marquage aux points de transition, ce marquage étant présent lors de leur fabrication et se renforçant en cours d'utilisation du joint. On remarquera que, malheureusement, le point de transition se trouve généralement dans une zone de gorge très fréquentée par les billes, en particulier lors des parcours en ville, où les brisures moyennes des joints sont fréquentes. De plus, dans cette zone, la vitesse de passage de la bille est proportionnellement plus élevée que hors de cette zone. L'invention a pour but de remédier aux inconvénients précités des joints à billes connus, tout en conservant les avantages des lignes directrices mixtes, et notamment - utiliser les méthodes et moyens modernes de réalisation des outils et des deux pièces principales du joint, obtenir des profondeurs de gorges les plus adéquates à l'utilisation. cet effet, l'invention a pour objet un joint homocinétique à billes du type précité, caractérisé en ce que chaque ligne directrice forme, dans une zone qui chevauche le plan diamétral de la pièce principale associée qui est perpendiculaire à l'axe de celle-ci, et sur un angle au centre, vu du centre du joint, au moins égal à l'angle de pilotage 2a, une courbe à rayon de courbure variable dont le rayon de courbure évolue de façon continue. Le joint homocinétique suivant l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes leurs combinaisons techniquement possibles - dans ladite zone, ledit rayon de courbure varie continuellement ; - ledit angle au centre est au moins égal à celui dans lequel circulent les billes lorsque le joint fonctionne sous un angle de brisure de 20 ; - ladite zone est symétrique par rapport audit plan diamétral ; - à une extrémité au moins de ladite zone, la courbe à rayon de courbure variable se raccorde tangentiellement a une autre courbe dont le rayon de courbure est égal au rayon de courbure de la courbe à rayon de courbure variable au point de raccordement ; - ladite autre courbe est un arc de circonférence ; - à une extrémité au moins de ladite zone, la courbe à rayon de courbure variable se raccorde tangentiellement à un segment de droite ; - le segment de droite est sensiblement parallèle à l' de la cloche ou de la noix ; - la courbe à rayon de courbure variable st une courbe algébrique, notamment une conique ; - la courbe à rayon de courbure variable est pseudo-conique, notamment une pseudo-parabole ; - la pseudo-parabole a comme équation y = a.x2-4; - la courbe à rayon de courbure variable est courbe transcendantale, notamment une courbe trigonométrique ; et - la courbe à rayon de courbure variable possède un point d'inflexion, notamment à l'intérieur de la noix pour les lignes directrices desdites secondes gorges. Des exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels - Figure 1A est une demi-vue en coupe méridienne, en position alignée, d'un joint homocinétique conforme à l'invention - la Figure 1B représente la forme de la ligne directrice des gorges de la cloche; - la Figure 2A est une vue analogue à la Figure 1A d'une variante ; - la Figure 2B est une vue analogue à la Figure 1B, correspondant à la variante de la Figure 2A ; - la Figure 3A est une vue analogue à la Figure 1A d'une autre variante ; - la Figure 3B est une vue analogue à la Figure 1B, correspondant à la variante de la Figure 3A ; - la Figure 4 est une vue analogue à la Figure 1A d'une autre variante ; - les Figures 5A et 5B sont des vues qui correspondent respectivement aux Figures 1A et 1B mais sont relatives à une autre variante ; et - les Figures 6A et 6B sont des vues qui correspondent respectivement aux Figures 1A et 1B mais sont relatives ' une autre variante. Le joint homocinétique 1 représenté partiellement sur la Figure 1 est constitué de deux pièces principales à savoir une cloche extérieure 2 et une noix intérieure 3, de six billes 4 et d'une cage 5 de maintien des billes dans le plan bissecteur du joint. Lorsque le joint est monté, la cloche 2 solidaire d'un premier arbre (non représenté) d'axe X-X, et la noix 3 est solidaire d'un second arbre 6 d'axe Y-Y. Ces deux axes sont confondus sur la Figure 1, où le joint en ligne. De façon typique, la cloche est venue de matière avec le premier arbre, qui est une fusée de roue motrice, et la noix fixé sur le second arbre, qui est un arbre moteur, au moyen de cannelures axiales 7 prévues dans ouverture centrale. La cloche 2 présente une cavité sphérique 8 de centre ouverte vers l'arbre 6, dans laquelle sont réalisées six premières gorges 9, régulièrement réparties angulairement et dont chacune est contenue dans un plan axial de cloche. Chaque gorge s'étend de part et d'autre du plan diamétral P de la cloche perpendiculaire à l'axe X et débouche sur un chanfrein d'entrée 10 de la cloche. La noix 3 présente une surface extérieure sphérique il de centre O dans laquelle sont ménagées six secondes gorges 12 régulièrement réparties angulairement et contenues chacune dans un plan axial la noix. Ces gorges 12 s'étendent de part d'autre du plan diamétral de la noix qui confondu avec le plan P lorsque le joint est en ligne, et elles débouchent sur les deux faces d'extrémité, intérieure 13 et extérieure 14, de la noix, qui sont parallèles audit plan diamétral P. Les gorges 9 et 12 ont des sections transversales circulaires de même rayon r. cage 5 comporte des surfaces sphériques extérieure et intérieure de centre O qui coopèrent res pectivement avec les surfaces 8 et 11 précitées. Elle comporte plus six lumières 15 dans chacune desquelles est guidée une bille 4. Chaque bille a un rayon sensiblement égal à r et coopère avec une paire de gorges 9, 12. a désigné par 16 la ligne directrice d'une gorge 9 de la cloche et par 17 celle de la gorge 12 associée de la noix. Dans la position alignée du joint qui est représentée, les lignes 16 et 17, symétriques par rapport au plan P, se coupent centre B de la bille, situé dans le plan P. Les normales respectives 18 et 19 en ce point B forment entre elles l'angle de pilotage 2cc du joint, typiquement voisin de 14 . Ces deux normales coupent l'axe X-X en deux points 01 et 02, situés à une même distance d du centre 0 du 'oint. La ligne directrice 16 est constituée de l'extrémité intérieure de la gorge 9 à un point W, par une portion d'ellipse 20 dont le grand axe 21 est incliné sur l'axe X-X, de façon divergente de l'intérieur vers l'extérieur, d'un angle (3 qui est tel que la normale à l'ellipse au point B soit la droite 18, ce qui conduit à l'angle de pilotage 2a,. Le point W est le point où la tangente T1 à l'ellipse est sensiblement parallèle à l'axe X-X, avec éventuellement une légère divergence vers l'extérieur de la cloche. A partir du point W, l'arc d'ellipse 20 se prolonge tangentiellement vers l'extérieur de la cloche en un segment de droite 22 confondu avec la tangente T1, et ce jusqu'à l'entrée de la cloche. Comme représenté sur la Figure 1, le point W se projette sur l'axe X-X en un point O'1 situé plus loin du c en 'tre 0 que le point 01. La ligne directrice 17 de la gorge 12 se déduit de la précédente par symétrie par rapport au plan P. Elle est donc constituée d'un arc d'ellipse 23 à axe incliné, divergent par rapport à l'axe Y-Y vers l'intérieur du joint, prolongé ' partir d'un point V par un segment de droite 24 sensiblement parallèle à l'axe Y-Y. La projection du point V sur l'axe Y-Y est un point 0'2 plus éloigné du centre O que le point Comme on le comprend, sur toute la zone 25 comprise entre les deux plans perpendiculaires à l'axe X-X ou Y-Y qui passent les points V et W, le rayon de courbure des lignes 16 et 17 varie continuellement, avec une variation continue. De plus, comme le segment 0'1, 0'2 contient le segment 01, 02, la zone 25 correspond à un angle au centre, vu du point 0, supérieur à l'angle de pilotage 2a. Aucun phénomène de jerk ne se produit donc dans la zone 25, dont l'angle au centre peut facilement être celui dans lequel circulent les billes lorsque le joint fonctionne sous un angle de brisure de 20 au moins. Le fond 26 de la gorge 9 est l'enveloppe extérieure des cercles centrés sur la ligne 16 et de rayon _r. De même, le fond 27 de gorge 12 est l'enveloppe intérieure cercles centrés sur la ligne 17 et de rayon r. On remarque que le fond 27 coupe la face extérieure 14 de la noix en un point 28 relativement éloigné de l'axe Y . Ceci permet de prévoir des cannelures 7 de grandes dimensions et d'éviter la présence d'une zone de fragilité la noix dans cette région. Le joint des Figures 1A et 1B a une cloche dépourvue de contre-dépouille à l'entrée, comme les joints UF UFi précités. Le joint des Figures 2A et 2B ne diffère de celui des Figures 1A et 1B que par le remplacement du segment droite 22 par un arc de cercle 122 tangent à la droite Tl et dont le rayon est le rayon de courbure RW de l'ellipse au point W. Ce joint comporte une contre-dépouille à l'entrée de la cloche. En variante, comme représenté aux Figures 3A et 3B, l'arc d'ellipse 20 peut s'étendre sur toute la longueur utile des gorges. La Figure 4 montre que l'on peut, avec une courbe unique à variation continue du rayon de courbure, approximer très près la ligne directrice cercle + droite du joint UFi , indiquée en traits mixtes. Une parabole de type y = axe peut être adoptée, mais l'approximation est encore meilleure avec une pseudo-parabole 30 d'équation y = ax2,4. I1 n'y a alors aucun jerk sur la totalité de l'angularité du joint, et il n'y a pas de contre-dépouille à l'entrée des gorges. D'autres courbes algébriques peuvent être utilisées en tant que courbes à rayon de courbure continuellement et continûment variable. Ainsi dans la variante des Figures 5A et 5B, il s'agit d'un arc m n de la courbe 40 connue sous le nom de besace . Là encore, on obtient une cloche sans contre-dépouille et un point 28 situé de façon très favorable. On comprend que bien d'autres courbes algébriques, telles que strophoïde, la lemniscate de Bernoulli, etc-, conviennent également. D'autres solutions sont possibles avec des fonctions transcendentales parmi lesquelles figurent les fonctions trigonométriques. Ainsi, les Figures 6A et 6B utilisent pour le tracé des lignes directrices la fonction simple y = tgx ; cette fonction présente un point d'inflexion I avec continuité de courbure par le passage l'infini du rayon de courbure. Ce point d'inflexion I trouve dans la région active des gorges mais, comme représenté, il ne correspond pas nécessairement au point B. Comme dans les exemples précédents, au point B, normale à la courbe forme l'angle a avec le plan P. La présence du point d'inflexion I à l'intérieur de la noix 3 en ce qui concerne les lignes 17 a pour effet d'éloigner le point 28 l'axe Y-Y. REVENDICATIONS 1 - Joint homocinétique fixe à billes, du type comprenant - une première pièce principale constituée par une cloche (2) destinée à être solidaire d'un premier arbre, la cavité (8) de cette cloche étant au moins partiellement sphérique et comportant six premières gorges (9), ligne directrice (16) de chaque première gorge étant contenue dans un plan axial de la cloche; - une deuxième pièce principale constituée une noix (3) destinée à être solidaire d'un second arbre (6), la surface extérieure (11) de cette noix étant au moins partiellement sphérique et munie de six secondes gorges (12), la igne directrice (17) de chaque seconde gorge étant contenue dans un plan axial de la noix ; - six billes (4) reçues, respectivement, partiellement dans les paires desdites premières et secondes gorges; une cage (5) de maintien des billes dans le plan bissecteur du joint lors de la brisure de ce joint, cette cage comportant des surfaces extérieure et intérieure sphériques sensiblement conjuguées, respectivement, des surfaces sphériques (8,1l) de la cloche et de la noix, les lignes directrices desdites premières et secondes gorges étant constamment symétriques par rapport au plan bissecteur, les normales (18, 19) à ces lignes directrices au centre (B) de la bille lorsque le joint est aligné formant un angle (2(x), dit angle de pilotage, caractérisé en ce que chaque ligne directrice (16, 17) forme, dans une zone (25) qui chevauche le plan diamétral (P) de la pièce principale associée (2, 3) qui est perpendiculaire à l'axe (X-X, Y-Y) de celle-ci, et sur un angle au centre, vu du centre (O) du joint, au moins égal à l'angle de pilotage (2a), une courbe à rayon de courbure variable (20, 22 ; 30, 40) dont le rayon de courbure évolue de façon continue. - Joint homocinétique suivant la revendication , caractérisé en ce que, dans ladite zone (25), ledit rayon de courbure varie continuellement. - Joint homocinétique suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit angle au centre est moins égal à celui dans lequel circulent les billes lorsque le joint fonctionne sous un angle de brisure de 20 . - Joint homocinétique suivant l'une quelconque revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite zone (25) est symétrique par rapport audit plan diamétral (P). - Joint homocinétique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, à une extrémité au moins de ladite zone (25), la courbe à rayon de courbure variable (20) se raccorde tangentiellement à une autre courbe (22) dont le rayon de courbure (RW) est égal au rayon de courbure de la courbe à rayon de courbure variable au point de raccordement (W). 6 - Joint homocinétique suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ladite autre courbe (22) est un arc de circonférence. 7 - Joint homocinétique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, à une extrémité au moins de ladite zone (25), la courbe à rayon de courbure variable (20) se raccorde tangentiellement à un segment de droite (122). 8 - Joint homocinétique suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le segment de droite (122) est sensiblement parallèle à l'axe (X-X, Y-Y) de la cloche (2) ou de la noix (3). 9 - Joint homocinétique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la courbe à rayon de courbure variable (20, 22 ; 30 ; 40) est courbe algébrique, notamment une conique. 10 Joint homocinétique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que courbe à rayon de courbure variable (30) est une pseudo-conique, notamment pseudo-parabole. 11 - Joint homocinétique suivant la revendication 10, caractérisé en ce que la pseudo-parabole (3 a comme équation y = a. X2,4. 12 Joint homocinétique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que courbe à rayon de courbure variable est une courbe transcendantale, notamment courbe trigonométrique. 13 - Joint homocinétique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la courbe à rayon de courbure variable possède un point d'inflexion (I), notamment à l'intérieur de la noix (3) pour les lignes directrices (17) desdites secondes gorges (12).