Brevet FR2801606A1 — publié le 20010601

JOINT A VITESSE CONSTANTE AVEC SOUFFLET DE PROTECTION Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne un joint à vitesse constante (JVC) pourvu d'un manchon ou soufflet de protection, qui est utilisé pour un arbre d'entraînement d'une automobile ou analogue. Il existe deux types de joints à vitesse constante, à savoir un type fixe et un type axialement coulissant. Le type fixe peut changer d'angle de travail sans coulisser axialement et il forme un angle de travail plus grand que le type coulissant. Par suite, pour un véhicule à entraînement sur les roues avant, on utilise principalement des JVC de type fixe du côté extérieur15 (connectés aux roues) et on utilise des JVC de type coulissant du côté intérieur. Une graisse lubrifiante utilisée dans ces JVC contient un.agent extrême-pression pour améliorer la résistance au grippage et réduire l'usure. La réaction entre un tel agent extrêmepression et une surface métallique, qui est appelée triboréaction, progresse avec l'usure. Plus précisément, cette réaction se produit du fait de l'activation d'une nouvelle surface métallique qui apparaît à cause de l'usure et d'une élévation de température résultant de la chaleur de frottement. Il est important de veiller à ce qu'une25 telle réaction progresse à une vitesse acceptable. Com me exem pie de graisse lubrifiante pour joints à vitesse constante contenant une pluralité d'agents extrême- 2 2801606 pression, on connaît une graisse au savon de lithium qui contient du bisulfure de molybdène et du naphténate de plomb. Les publications de brevet japonais 10-273692 et 10- 273691 décrivent des compositions de graisse pour des joints à vitesse constante contenant chacune du dialkyl dithiocarbamate de molybdène, du bisulfure de molybdène, du dithiosulfate de zinc, un additif extrêmepression au soufre-azote, et un additif extrême-pression de la famille du soufre ne contenant pas de phosphore,.10 La plupart des joints à vitesse constante remplis de graisse lubrifiante sont pourvus d'un manchon de protection du type à soufflet pour empêcher l'entrée de poussière. Un tel soufflet typique pour des JVC est fabriqué en caoutchouc chloroprène puisque ce caoutchouc particulier possède une15 résistance à l'huile et une résistance à la fatigue élevées. Egalement, beaucoup des soufflets de JVC actuels qu'on utilise pour des arbres d'entraînement de roues avant de véhicules à traction avant sont fabriqués en un élastomère de type polyester thermoplastique (par exemple, HYTREL de Toray-20 Dupont) puisqu'on utilise ces soufflets dans des conditions particulièrement difficiles. La graisse en contact dans les JVC avec le soufflet de protection tend à détériorer celui-ci qui est fabriqué en un élastomère de type polyester thermoplastique. Ce soufflet détérioré présente une résistance à la traction et un allongement moindres, une grande variation de volume, une dilatation élevée et une fatigue prématurée. La graisse contenant des composés de la famille du plomb, tels que le naphténate de plomb, accélère particulièrement cette détérioration du soufflet. Ces problèmes des JVC à soufflet de protection sont communs au type fixe et au type coulissant mais ils sont plus importants pour le premier type puisque ces JVC peuvent prendre un grand angle de travail. 3 2801606 Un objet de l'invention est de procurer un joint à vitesse constante comportant un manchon ou soufflet de protection en élastomère de type polyester thermoplastique et contenant une graisse lubrifiante, qui minimise la détérioration du soufflet du JVC, c'est-à-dire qui minimise le ramollissement du soufflet, la diminution de sa résistance à la traction, de son allongement et de l'augmentation du volume du soufflet, tout en conservant les performances requises de transmission de couple. Résumé de l'invention10 Conformément à l'invention, on obtient un joint à vitesse constante avec soufflet de protection, comprenant un corps de joint rempli d'une graisse lubrifiante et un soufflet tubulaire en élastomère de type polyester thermoplastique pour assurer l'étanchéité du corps de joint, la graisse comprenant une huile de base, un savon de lithiu om comme épaississeur, et du bisulfite de molybdène, du dialkyl dithiocarbamate de molybdène et du dithiocarbamate de zinc comme additifs e xtrê m e - p r e s s ion. Conformément à la présente invention, puisque la graisse lubrifiante ne contient pas de composé du plomb, tel que le naphténate de plomb, mais contient des additifs extrême- pression spécifiques, le soufflet en élastomère de type polyester thermoplastique ne se détériore pas du fait du contact avec la graisse lubrifiante.25 Par suite, le joint à vitesse constante équipé d'un soufflet de protection en élastomère de type polyester thermoplastique reste étanche à la poussière, même après une utilisation de longue durée, et il possède une bonne durabilité dans des conditions d'utilisation difficiles dans lesquelles il est exposé à30 la terre, aux poussières et à l'eau dans une grande plage de température. Dans le joint à vitesse constante à soufflet précité, si le savon de lithium est du 12-hydroxystéarate de lithium ou un complexe de lithium formé par mélange eutectique du savon de35 lithium avec un agent complexant, la graisse lubrifiante conserve une dureté appropriée avec très peu de variation de consistance même à une température élevée, et elle possède une meilleure résistance à l'eau comparativement à d'autres graisses du groupe savon. De plus, puisqu'une graisse du5 groupe des complexes de lithium a un point de goutte supérieur à 200 0C, le joint possède une meilleure résistance à la chaleur. En outre, il est préférable que le soufflet soit fabriqué en un élastomère de type polyester thermoplastique comprenant parties en poids d'un copolymère de type polyester et 0,01 à 1,5 partie en poids d'un glycol. Cela résulte de ce qu'un tel élastomère de type polyester améliore les caractéristiques de collage-glissement (ou les propriétés de frottement) sur la surface du soufflet sans nuire à la durabilité. Le joint à vitesse constante conforme à la présente invention est applicable à la fois aux joints de type fixe et aux joints de type coulissant, mais l'invention est particulièrement intéressante pour le premier type dans lequel l'angle de travail varie dans une grande plage. D'autres caractéristiques et objets de la présente invention apparaîtront à la lumière de la description ci-après, avec référence aux dessins annexés. Brève Description des Dessins La figure 1 est une vue en coupe d'un joint à vitesse constante de type fixe utilisant l'invention La figure 2 est un graphique illustrant les résultats d'essais d'endurance. La figure 3 est un graphique illustrant la relation entre la dureté de la matière du soufflet et le temps pendant lequel le soufflet a été immergé dans la graisse.30 La figure 4 est un graphique illustrant la relation entre la résistance à la traction du soufflet et le temps pendant lequel le soufflet a été immergé dans la graisse. La figure 5 est un graphique illustrant la relation entre l'allongement du soufflet et le temps pendant lequel le soufflet a été immergé dans la graisse. 2801606 La figure 6 est un graphique illustrant la relation entre le volume du soufflet et le temps pendant lequel le soufflet a été immergé dans la graisse. Description Détaillée du Mode Préféré de Réalisation5 La figure 1 représente un joint à vitesse constante de type fixe conforme à.l'invention, qui comprend des arbres 1 et 2 transmettant entre eux une rotation sans coulisser axialement et tout en formant un angle de travail. Ce joint contient une graisse lubrifiante et il est rendu étanche par un manchon ou10 soufflet tubulaire 3 fabriqué en élastomère de type polyester thermoplastique. Le soufflet 3 a des extrémités ouvertes de grand diamètre et de petit diamètre qui sont fixées à la périphérie extérieure des arbres 1 et 2, respectivement, par des colliers d'attache 4, 5.15 Le soufflet 3 doit être librement déformable lorsque les arbres 1 et 2 pivotent l'un par rapport à l'autre, et il doit empêcher la pénétration des poussières de l'air et de l'eau et résister à la déchirure, par exemple par des cailloux projetés. De plus, il doit être suffisamment résistant à la graisse20 lubrifiante, aux basses températures, à la chaleur et à l'usure, Afin de répondre à toutes ces conditions, le soufflet 3 est fabriqué en un élastomère de type polyester thermoplastique. L'élastomère de type polyester thermoplastique contient, comme composant principal, un copolymère séquencé de polyester comprenant un segment de polymère de type polyester cristallin à haut point de fusion (a) et un segment de polymère à bas point de fusion (b). Le premier segment (a) est un polyester formé à partir d'un dicarboxylate aromatique ou de son dérivé de formation d'ester et d'un diol aliphatique, et de préférence un téréphtalate de polybutylène obtenu à partir d'un acide téréphtalique et/ou un diméthyl téréphtalate et de 1,4-butane diol. Le segment (a) peut également être un polyester obtenu à partir d'un composant de type acide dicarboxylique, tel qu'acide isophtalique, acide phtalique, naphtalène-2, 6-dicarboxylate et 6 2801606 leurs dérivés de formation d'ester, et d'un diol ayant un poids moléculaire non supérieur à 300, par exemple des diols aliphatiques incluant éthylène glycol, triméthylè ne glycol, pentaméthylène glycol, hexaméthylène glycol, néopentyl glycol5 et décaméthylène glycol, et des diols cycloaliphatiques tels que 1,4-cyclohexane diméthanol et tricyclodécane diméthylol, et des diols aromatiques tels que bis(p-hydroxy) diphényl, bis(p- hydroxyphényl) propane, 4,4'-dihydroxy-p-terphényl, 4,4'- dihydroxy-pquaterphényl; ou bien il peut être un polyester10 copolymérisé dérivé de deux ou plus des composants de type acide dicarboxylique décrits cidessus et de deux ou plus des diols décrits ci-dessus. Le segment (a) peut également être un copolymère d'un dicarboxylate aliphatique tel qu'acide adipique et acide sébacique. Il peut également être un copolymère de 5 mole% ou moins de composants de type acide carboxylique multifonctionnels, de composants de type oxyacide multifonctionnels ou de composants de type hydroxy multifonctionnels ayant trois groupes fonctionnels ou plus qui20 peuvent être copolymérisés. Le segment (b) est un polyéther aliphatique et/ou un polyester aliphatique. Comme polyéthers aliphatiques utilisables dans la présente invention, on peut citer: poly(oxyde d'éthylène) glycol, poly(oxyde de propylène) glycol, poly(oxyde25 de tétraméthylène) glycol, poly(oxyde d'hexaméthylène) glycol, un copolymère d'oxyde d'éthylène et d'oxyde de propylène, un copolymère de poly(oxyde de propylène) glycol avec addition d'oxyde d'éthylène, et un copolymère d'oxyde d'éthylène et de tétrahydrofurane. Les polyesters aliphatiques utilisables dans30 l'invention comprennent le polycaprolactone, le polyenant- lactone, le polycaprylolactone, le polybutylène adipate et le polyéthylène adipate. Parmi ces polyéthers aliphatiques et polyesters aliphatiques, les composés suivants sont particulièrement préférables puisqu'ils améliorent les propriétés élastiques du 7 2801606 copolymère séquencé de polyester: un produit d'addition d'oxyde d'éthylène du poly(oxyde de tétraméthylène) glycol ou du poly(oxyde de propylène) glycol, le polycaprolactone, le polybutylène adipate et le polyéthylène adipate. De préférence,5 le segment de polymère à bas point de fusion (b) a une valeur de poids moléculaire moyen de 300 à 6000 environ dans un état copolym é ris é. La quantité du segment (b) dans le copolymère séquencé de type polyester est de préférence de 10 à 80% en poids et plus avantageusement de 15 à 75% en poids. En plus d'un tel copolymère séquencé de type polyester, l'élastomère de type polyester thermoplastique utilisé comme matière pour le soufflet de protection de la présente invention contient un glycol exprimé par la formule (I) ci-après. On peut15 en outre ajouter un agent plastifiant, un agent adoucissant, un lubrifiant, un antioxydant et un agent de renforcement. HO(R1O) x H (I) dans laquelle RI est un groupe fonctionnel qui est un composé hydrocarboné ayant un nombre d'atomes de carbone de 1 à 620 avec deux atomes d'hydrogène enlevés, et x est un entier de 1 à 1000. Les glycols exprimés par la formule (I) comprennent poly(oxyde d'éthylène) glycol, poly(oxyde de propylè ne) glycol, poly(oxyde de tétraméthylène) glycol, poly(oxyde de25 pentaméthylène) glycol et poly(oxyde d'hexaméthylè ne) glycol. Parmi ces composés, on préfère particulièrement le poly(oxyde de tétraméthylène) glycol. Les glycols ayant un nombre d'unités répétitives x de 10 à 500 sont facilement disponibles dans le commerce et donc préférables.30 Le glycol exprimé par la formule (I) est ajouté à raison de 0,01 à 1,5 partie en poids pour 100 parties en poids du copolymère séquencé de type polyester. La graisse lubrifiante utilisée dans la présente invention comprend une huile de base épaissie par un savon de lithium et elle contient du bisulfure de molybdène, du dithiocarbamate de 8 2801606 molybdène et du dithiocarbamate de zinc comme additifs extrê m e-pre s s ion. L'huile de base peut être une quelconque d'une huile minérale, d'une huile de type ester synthétique, d'une huile de type éther synthétique et d'une huile d'hydrocarbure synthétique. Elle peut être un mélange de deux de ces huiles ou plus. Le savon de lithium utilisé comme épaississeur est un savon métallique obtenu par saponification d'hydroxyde de lithium et d'un acide gras. L'acide gras est de préférence un acide stéarique purifié ayant un nombre d'atomes de carbone de 18, ou un acide 1 2- hydroxy stéarique. Un tel savon de lithium possède une grande résistance à I'eau et une bonne stabilité structurelle pour servir d'épaississeur.15 Le complexe de lithium est formé par eutexie d'un savon de lithium et d'un agent complexant. Par utilisation d'un complexe de lithium comme épaississeur, le point de goutte de la graisse augmente jusqu'à 200 C ou plus. Le complexe de lithium est un épaississeur ayant une résistance élevée à la20 chaleur. Les agents complexants utilisables comprennent un acide dibasique ou son ester, un imide succinique, I'acide borique, I'acide phosphorique et l'acide salicylique. La quantité de l'épaississeur (savon de lithium) dans la graisse lubrifiante utilisée dans la présente invention est de 1 à 25 % en poids et de préférence de 5 à 20 % en poids. Si on dépasse cette plage, la consistance devient trop faible pour la lubrification. En dessous de cette plage, le pouvoir épaississant est insuffisant pour que le joint à vitesse constante possède la stabilité au cisaillement requise.30 Le bisulfure de molybdène utilisé comme agent extrême- pression peut être d'un type utilisé généralement comme lubrifiant solide. Le bisulfure de molybdène possède une structure de réseau en couches, de sorte qu'un glissement se produit facilement entre ses couches sous une charge de35 cisaillement. Cela évite un contact métal sur métal et un grippage de deux surfaces métalliques qui sont en contact de frottement mutuel par l'intermédiaire du bisulfure de molybdène. La quantité de bisulfure de molybdène requise pour obtenir ce résultat est de 0,1 à 5 % en poids. Une trop grande quantité de bisulfure de molybdène pourrait accroître le coefficient de frottement et donc entraîner une usure. Le dialkyl dithiocarbamate de molybdène utilisé dans la présente invention est de préférence un composé exprimé par la formule (Il) ci-après, connu comme lubrifiant solide.10 [R1R2N - CS - S]2 - MO20mSn (Il) dans laquelle R1 et R2 sont des groupes alkyle ayant un nombre d'atomes de carbone de 1 à 24, m + n = 4, m = 0 à 3, n = 4 à 1. Les dialkyl dithiocarbamates de molybdène spécifiques exprimés par la formule (Il) comprennent un composé exprimé par la formule chimique (1). R S N-C /S \ R -R S-Mo Mo-S-C-N\ \IS/ Il xR s s -S: dans laquelle R est un groupe alkyle ou groupe aryle primaire ou secondaire. Le dialkyl dithiocarbamate de molybdène doit être ajouté à raison de 0,1 à 5 % en poids. Si sa teneur est inférieure à 0,1 %, il n'accroît pas suffisamment la résistance à l'usure et les propriétés extrê me-pression. L'addition de plus de 5 % en poids de ce composé n'améliore pas les propriétés attendues, ou même les détériore, mais accroît le coût. Le dithiocarbamate de zinc utilisé dans l'invention est représenté par un composé exprimé par la formule (2) ci-après. N-C C-N R' S- Zn-S' R 2801606 dans laquelle R est un groupe alkyle ou aryle primaire ou secondaire. Il doit être ajouté à raison de 0,1 à 10 % en poids. Si sa teneur est inférieure à 0,1 %, il ne produit pas suffisamment les propriétés attendues. L'addition de plus de 10 % en poids n'améliore pas les propriétés attendues, ou même les détériore, et il en résulte une augmentation du coût. Exem ples et Exemples Comparatifs On prépare une graisse lubrifiante de manière connue par addition de 10 % en poids d'un épaississeur, qui est un savon de lithium contenant de l'acide 12-hydroxy stéarique comme acide gras, à une huile minérale servant d'huile de base, puis addition de 2 % en poids de bisulfure de molybdène, 3 % en poids de dialkyl dithiocarbamate de molybdène et 3 % en poids15 de dithiocarbamate de zinc. On charge la graisse obtenue dans un joint à vitesse constante et on monte un soufflet de protection en élastomère de type thermoplastique (HYTREL de Dupont) sur le joint comme représenté sur la figure 1 (Exemples de l'invention).20 On charge une graisse du commerce (comprenant une huile minérale comme huile de base, un savon de lithium comme épaississeur, et du bisulfure de molybdène et du naphténate de plomb) dans un joint à vitesse constante du même type représenté sur la figure 1, en la même quantité que la graisse25 de l'Exemple de l'invention, et on monte un soufflet de protection en élastomère de type polyester thermoplastique (HYTREL de Toray-Dupont) sur le joint (Exemple Comparatif). On soumet les JVC des Exemples et des Exemples Comparatifs à (A) un test de cycles thermiques à haute température et (B) un test d'endurance sous forte charge dans les conditions suivantes. (A) Test de cycles thermiques à haute température Les éléments d'entrée et de sortie du JVC étant disposés suivant un angle d'entrée prédéterminé, on soumet chaque joint à un test de dix cycles dans lequel le cycle de rotation continue de chaque joint à une vitesse moyenne pendant une durée prédéterminée à 1000C puis de maintien à température ambiante est répété dix fois. Après le test, on observe la surface intérieure du soufflet pour déterminer si des fissures se sont5 produites. On observe des fissures dans la surface intérieure du soufflet des Exemples Comparatifs. On ne trouve pas de fissures dans le soufflet des Exemples de l'invention. (B) Test d'endurance sous forte charge Les éléments d'entrée et de sortie des joints étant disposés suivant un angle de travail prédéterminé, on fait tourner chaque joint pendant 650 heures à température ambiante avec application d'une charge constante. On observe l'intérieur de chaque JVC pour déterminer s'il existe une15 détérioration après écoulement de 175, 275, 375, 475 et 650 heures. Les résultats sont indiqués dans le Tableau 2 en trois catégories, à savoir bon (O) qui signifie qu'on n'a pas observé de détérioration à l'intérieur du joint, passable (A) qui signifie qu'on a trouvé des détériorations mineures à l'intérieur du joint20 mais que la poursuite du fonctionnement est possible, et mauvais (X) qui signifie qu'on a trouvé une détérioration grave et que le joint ne peut plus fonctionner. On constate que le joint de tous les Exemples et Exemples Comparatifs survit à un fonctionnement d'au moins 600 heures (voir la figure 2). Ensuite, on mesure les changements des propriétés physiques lorsqu'on immerge la matière d'un soufflet en élastomère de type polyester thermoplastique dans les graisses lubrifiantes des Exemples et des Exemples Comparatifs. Les résultats sont indiqués sur les figures 3 à 6. On immerge un soufflet de JVC en élastomère de type polyester thermoplastique (HYTREL de Toray-Dupont) dans la graisse (100 C ou 120 C) des Exemples de l'invention et dans la graisse (100 C ou 120 0C) des Exemples Comparatifs et on 12 2801606 teste le soufflet respectif après 70, 170, 240 et 350 heures en ce qui concerne les propriétés suivantes (a) dureté (mesurée au duromètre type D selon JIS K6253), (b) résistance à la traction (mesurée selon JIS K6251, JIS K6258), (c) allongement (mesuré selon JIS K6251, JIS K6258) (d) volume (mesuré selon JIS K6258) Comme on le voit sur les figures 3 à 6, la matière de soufflet immergée dans la graisse des Exemples Comparatifs se ramollit nettement, sa résistance à la traction et son allongement diminuent nettement et le volume augmente nettement, comparativement au soufflet immergé dans la graisse des Exemples de l'invention.15 La matière de soufflet immergée dans la graisse des Exemples de l'invention présente moins de ramollissement, moins de diminution de sa résistance à la traction et de son allongement, et moins d'augmentation du volume du soufflet, par rapport aux Exemples Comparatifs.20 Puisque le joint à vitesse constante conforme à la présente invention comprend un soufflet de protection en élastomère de type polyester thermoplastique et utilise une graisse lubrifiante contenant des additifs extrême-pression spécifiques, il peut conserver une caractéristique de25 transmission de couple requise et le soufflet ne se détériore pas du fait du contact avec la graisse lubrifiante, il ne se ramollit pas, il ne présente pas de diminution de la résistance à la traction ou de l'allongement, et le degré de dilatation ou de changement de volume est faible.30 Le 12- hydroxystéarate de lithium ou le complexe de lithium utilisé comme savon de lithium dans l'épaississeur améliore la résistance à la chaleur du joint. Même si le joint à vitesse constante est du type qui peut prendre un grand angle de travail (tel qu'un JVC axialement non coulissant), le soufflet de protection conforme à l'invention 13 2801606 risque peu de se déchirer ou d'être endommagé autrement, puisqu'il a une grande élasticité et est donc déformable de manière à suivre le mouvement des éléments d'entrée et de sortie du JVC. 14 2801606 REVENDICATIONS 1. Joint à vitesse constante avec soufflet tubulaire de protection (3), comprenant un corps de joint rempli d'une graisse de lubrification, le dit soufflet étant fabriqué en un élastomère de type polyester thermoplastique pour assurer l'étanchéité du dit corps de joint, la dite graisse comprenant une huile de base, un savon de lithium servant d'épaississeur, et du bisulfure de molybdène, du dialkyl dithiocarbamate de10 molybdène et du dithiocarbamate de zinc servant d'additifs extrême- pression, 2. Joint à vitesse constante à soufflet selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dit savon de lithium est le 12- hydroxystéarate de lithium ou un complexe de lithium formé par mélange eutectique d'un savon de lithium avec un agent complexant. 3. Joint à vitesse constante à soufflet selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dit élastomère de type polyester thermoplastique comprend 100 parties en poids d'un copolymère de type polyester et 0,01 à 1,5 partie en poids d'un glycol. 4. Joint à vitesse constante à soufflet selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le joint est de type fixe comprenant un élément d'entrée (1) et un élément de sortie (2) qui peuvent prendre un angle de travail sans coulisser axialement l'un par rapport à l'autre.