Brevet FR2812050A1 — publié le 20020125

I Domaine de l'invention La présente invention concerne un ensemble de friction composé d'au moins un organe de friction et d'un organe antagoniste, au moins un organe de friction étant formé d'un corps de base et d'une gar- niture de friction reliée au corps de base. Arrière plan technologique de l'invention Un tel ensemble de friction est utilisé dans les boîtes de vi- tesse à commutation ou rapports, synchronisées de véhicules automobi- les, si bien que lors de la commutation du pignon denté libre en rotation sur l'arbre, par compression axiale d'une bague de synchronisation, on le met en synchronisme avec l'anneau de couplage porté par le pignon denté sur l'arbre, la transmission des efforts étant assurée par un manchon coulissant, monté solidairement sur l'arbre mais coulissant axialement, par l'intermédiaire d'une denture de verrouillage et/ou d'entraînement, axiale ou radiale sur la bague de synchronisation. Ensuite le pignon est relié par une liaison par la forme à l'arbre par la poursuite du coulisse- ment axial du manchon coulissant qui pénètre alors dans une denture d'entraînement de l'anneau de couplage pour réaliser la liaison par la forme avec l'arbre. Pour atteindre la synchronisation entre la bague de synchronisation et la roue dentée, la bague de synchronisation comporte des surfaces de friction coniques extérieures ou intérieures qui, lors de la compression axiale de la bague de synchronisation, viennent en contact avec les surfaces antagonistes de l'anneau de couplage; par la création d'une liaison de friction, la bague réalise le synchronisme nécessaire à la commutation de l'embrayage de la liaison par la forme. De plus dans le cas d'une synchronisation dite à double cône, on peut avoir un anneau de friction entre les surfaces de friction. Comme solution technique connue, les installations de syn- chronisation avec des surfaces de friction en forme de tronc de cône qui coopèrent, utilisent des paires de frictions avec des matériaux de coeffi- cients de glissement différents, comme par exemples des laitons spéciaux, des bronzes, des surfaces revêtues de molybdène, d'oxyde ou de couches à plusieurs matériaux ainsi que des matières plastiques qui frottent contre une surface d'acier traitée. Dans ce contexte, selon le document DE-42 40 157-A1, on connaît une bague de synchronisation comprenant un organe annulaire avec une zone de glissement munie d'un film appliqué par un revêtement par projection. Le fil est formé d'un alliage de laiton avec du cuivre, du zinc et au moins un élément choisi dans le groupe formé par l'aluminium, le manganèse, le fer, le nickel, le silicium, le cobalt, le chrome, le titane, le niobium, le vanadium, le zirconium et le molybdène. Le film est appliqué sous la forme d'un revêtement projeté. L'alliage de laiton doit avoir une structure formée d'une matrice et d'un liant intermétallique plus dur que la matrice. On risque alors que des parties de la liaison intermétallique ne se détachent et ne soient évacuées par l'huile en augmentant ainsi l'usure du cône antagoniste. Un autre inconvénient est que les alliages de laiton sont très sensibles à l'huile. Un autre inconvénient est que les alliages de laiton ont un coefficient de friction qui dépend fortement de la tempéra- ture et de plus ces alliages ont tendance à s'user. De plus, les alliages de laiton sont d'un coût relativement élevé ce qui est important en particulier pour la projection car la moitié de la matière projetée est perdue et doit être dans ces conditions récupérée d'une manière coûteuse. Résumé de l'invention La présente invention a pour but de développer un ensem- ble de friction qui engendre moins d'usure pendant l'opération de friction et crée un moindre coût en matière. A cet effet, l'invention concerne un ensemble du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que la garniture de friction est un alliage chrome-fer. L'avantage décisif de l'alliage selon l'invention est d'être très résistant aux températures, c'est-à-dire de conserver l'effet de friction jus- qu'à des températures allant jusqu'à 700 C. L'alliage a une faible ten- dance à se corroder et il fonction parfaitement même sous l'effet de charges de surface élevées. Un autre avantage est que cet alliage chrome- fer est très peu coûteux par comparaison avec d'autres alliages si l'on res- pecte un coefficient de friction avantageux g de l'ordre de 0,06 à 0,2. De façon avantageuse, la garniture de friction est appliquée par projection thermique sur le corps de base. L'accrochage de la garni- ture de friction projetée sur le corps de base est excellent. On peut égale- ment réaliser une projection précise car pendant la projection, l'alliage n'a pas tendance à former des accumulations. Le dépôt de la garniture de friction sous la forme d'un film mince permet d'économiser de l'encombrement. De plus, cet alliage chrome-fer permet une projection précise du point de vue de la rugosité souhaitée pour la garniture de fric- tion. A côté de la projection thermique, on peut également envi- sager d'autres types de liaisons que la garniture de friction et le corps de base. C'est ainsi que l'alliage chrome-fer peut également être soudé à l'état de feuille sur le corps de base ou encore être collé. Une fixation par une liaison par la forme de la feuille sur le corps de base est également possi- ble. D'autres variantes consistent à appliquer par frittage l'alliage chrome- fer, ou à fixer de la poudre chrome-fer sur le corps de base à l'aide d'agents adhésifs. Suivant une autre caractéristique avantageuse, l'alliage chrome-fer contient: 10-60 % Cr, 0,3-0,5 % C et le reste en fer. Suivant une autre caractéristique avantageuse, l'alliage chrome-fer contient en plus 3-25 % Mo, 0,4-3,5 % B, 3-18 % AI, 4-12 % Si, 0,5-6 % V et 0,5-6 % Nb. La projection thermique permet d'obtenir pour la garniture de friction l'épaisseur souhaitée comprise entre 10 et 200 Mm. Selon une autre caractéristique avantageuse, l'organe de friction est soumis à un traitement de nitruration ou de nitrocarburation. On obtient ainsi des nitrures ou des carbonitrures mélangés enrichis no- tamment dans la couche limite. Cette couche encore appelée couche de liaison modifie une nouvelle fois le caractère métallique de la surface de sorte que la garniture de friction peut résister d'une manière remarquable à des attaques mécaniques extérieures. Cela diminue le coefficient de fric- tion, diminue l'adhérence par rapport aux partenaires de l'usure et aug- mente la résistance à l'abrasion. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le corps de base a une rugosité de surface Ra > 0,5 Mm avant de recevoir le revêtement. Cela peut s'obtenir par exemple par jet de billes. L'expression " jet " concerne un procédé de fabrication connu des spécialistes selon le- quel on accélère des agents dans des appareils de projection de systèmes différents pour les diriger sur la surface à traiter. Le traitement par un jet de billes se fait de manière particulière avec des grains ronds ou du moins arrondis. Mais on peut également utiliser des installations différentes par exemple des installations à jets radiaux de projection dans lesquels l'agent à projeter est accéléré dans une ou plusieurs injections à roue de projec- tion, par la force centrifuge pour atteindre la vitesse souhaitée. On peut également utiliser des installations à des jets de pression, pneumatiques de différents types de construction. Comme moyen ou agent projeté, on peut par exemple utiliser des billes de verre, des billes d'acier ou des billes de corindon. Le but de ce traitement par un jet de billes est d'augmenter la rugosité de la surface du corps de base et de l'activer pour assurer un meilleur accrochage de la garniture de friction qui sera projetée. Pour ren- dre plus rugueuse la surface, on peut envisager dans ce contexte toutes les solutions connues de l'homme du métier comme par exemple le bros- sage de la surface ou une mise en structure par un traitement au laser. Le second partenaire de cet ensemble en friction c'est-à-dire le corps antagoniste sera décrit ci-après de manière plus détaillée. On peut fabriquer ce corps antagoniste en un alliage d'acier, en une matière coulée, en un alliage de cuivre ou en matière frittée. Comme alliage d'acier, on peut envisager l'acier 16MnCr5, 100Cr6, C45, 80Cr2 ou C15. Le corps opposé peut dans le cas d'une matière coulée, être fabriqué en un alliage d'acier coulé de référence GG20. S'il est réalisé comme matière frittée on peut utiliser un alliage fritté à base de fer ou de bronze. Suivant une autre caractéristique avantageuse, l'ensemble est appliqué à une installation de synchronisation d'une boîte de vitesse à rapports, qui pour réaliser la synchronisation des moyens d'entraînement couplés par une liaison par la forme, comprend une bague de synchroni- sation et un anneau de couplage reliés par une liaison de friction, direc- tement ou par un anneau de friction prévu entre eux avec des surfaces de friction coniques respectives. Suivant une autre caractéristique avantageuse, l'ensemble est appliqué à un embrayage à lamelles muni de lamelles extérieures, dressées, planes, reliées à un premier arbre et pénétrant à la manière d'un peigne dans les lamelles intérieures de forme sinusoïdale reliées à un se- cond arbre, la liaison par friction entre les lamelles étant réalisée par leur pressage l'une contre l'autre. Description résumée des dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe d'un ensemble de friction d'une instal- lation de synchronisation pour une boîte de vitesse, - la figure 2 est une coupe transversale d'un embrayage à lamelles, - la figure 3 est une vue à échelle agrandie des lamelles à l'état débrayé, - la figure 4 est une vue à échelle agrandie des lamelles à l'état embrayé, - la figure 5 montre l'évolution du coefficient de friction en fonction du nombre de cycles de commutation. Description détaillée des dessins Selon la figure 1, la bague de synchronisation représentée en coupe porte la référence 1 et l'anneau de couplage également repré- senté en coupe porte la référence 6. La bague de synchronisation 1 se compose d'un corps de base 2 dont la surface enveloppe, conique intérieure est munie d'une gar- niture de friction 3. La bague de synchronisation 1 comporte radialement une denture d'entraînement 4 par laquelle elle est reliée solidairement en rotation à un arbre par l'intermédiaire d'un manchon coulissant tout en étant coulissant axialement. La denture d'entraînement radial 7 de l'anneau de couplage 6 reçoit une denture correspondante du manchon coulissant pour réaliser une liaison par la forme entre l'arbre et l'anneau de couplage 6. Le synchronisme entre la bague de synchronisation 1 et l'anneau de couplage 6, nécessaire pour réaliser la liaison par la forme est assuré par l'accouplement conique c'est-à-dire que la bague de synchroni- sation 1 comporte un cône intérieur et l'anneau de couplage 6 un cône extérieur munis chacun de surfaces de friction 5, 8; la surface de friction est constituée par la garniture de friction 3. La bague de synchronisation 1 selon cet exemple de réali- sation est en 80Cr2 c'est-à-dire une teneur en carbone de 0,8 % et une teneur en chrome de 0,50 %. Cet élément est réalisé par une mise en forme sans usinage par enlèvement de copeaux. Cette opération, par exemple d'étirage peut être réalisée d'une manière tellement précise qu'elle rend inutile tout meulage pour régler une certaine hauteur. Après dégrais- sage et nettoyage de cette ébauche de bague de synchronisation non dur- cie, on lui applique dans un ensemble approprié, un jet de corindon pour arriver à un état de surface d'une rugosité Ra > 0,5 Mm. Après le traite- ment par le jet, on enlève les restes de produit avant d'appliquer un reve- tement de garniture de friction. Le traitement au jet pour obtenir la rugosité souhaitée est nécessaire pour que la garniture de friction 3 s'accroche bien sur le corps de base 2 de la bague de synchronisation 1. Un avantage supplémentaire du traitement au jet est de renforcer la cou- che de paroi de surface de la bague de synchronisation 2 et d'augmenter ainsi sa résistance à l'usure. En traitant avec des jets de corindon, de car- bure de silicium ou autres agents, on nettoie la surface, on la rend ru- gueuse et on l'active. Pour éviter tout nouvel encrassage ou oxydation, il faut que l'application de la garniture de friction 3 qui constitue la surface de friction 5 se fasse immédiatement après le traitement au jet. La garni- ture de friction 3 est un alliage chrome-fer appliqué sur le code intérieur de la bague de synchronisation 1 et ayant la composition chimique sui- vante: % de chrome, 3 % de niobium, 3 % de vanadium, 1,5 % de carbone, 1, 5 % de bore et le complément en fer. L'application de la garniture de friction 3 sur la bague de synchronisation 1 se fait par projection thermique c'est-à-dire selon un procédé de revêtement consistant à faire fondre la matière qui arrive sous la forme d'un fil ou d'une poudre, à l'intérieur ou à l'extérieur de l'appareil de projection et de le projeter à vitesse élevée contre la surface superfi- cielle c'est-à-dire la surface du cône de la bague de synchronisation 1 qu'il faut revêtir. La surface intérieure du cône à revêtir de la bague de syn- chronisation 1 n'est pas fondue ou rapprochée de l'état de fusion c'est-à- dire que la bague de synchronisation 1 s'élève peu en température pen- dant la pulvérisation ce qui évite tout risque de déformation thermique. De manière avantageuse, on a constaté que pour la présente application, il convient notamment d'utiliser la projection à la flamme ou la projection par un arc électrique. Dans le cas de la projection par la flamme, l'énergie pour la fusion de la matière à projeter est fournie par la combustion de gaz; dans le cas de la projection par arc, l'énergie est d'origine électrique. L'anneau de couplage 6 qui fait partie de la bague de synchronisation 1 est réalisée en un alliage de cuivre. Dans le dispositif de la figure 2, les deux arbres 9, 10 sont reliés par un embrayage à friction, commuté sous la forme d'un em- brayage à lamelles en sinus. L'arbre 10 porte des lamelles extérieures 1 1 et l'arbre 9 des lamelles intérieures 12. Les lamelles extérieures 1 1 recti- fiées en surface plane, viennent prendre à la manière de peigne dans les lamelles intérieures 12 à ondulations sinusoïdales. L'état embrayé repré- senté à la figure 4 s'obtient par coulissement du manchon 13 pour que le levier coudé 14 presse les unes contre les autres les lamelles 11, 12 cou- lissées axialement. Lors du débrayage de l'embrayage selon la figure 3, la pression disparaît du paquet de lamelle si bien que les lamelles intérieures 12 et les lamelles extérieures 1 1 se séparent les unes des autres. Selon l'invention, le paquet de lamelles intérieures 12 ou le paquet de lamelles extérieures 1 1 est muni d'un revêtement chrome-fer. La figure 5 représente par une courbe le coefficient de fric- tion en fonction du cycle de commutation de l'alliage chrome-fer selon l'invention. Il apparaît qu'en fonction croissante des opérations de com- mutation, le coefficient de friction ne diminue que faiblement. Cette dimi- nution provient du procédé de rodage des deux surfaces de friction 3, 5. En optimisant la composition on peut atteindre des coefficients de friction de revêtement compris entre 0,12-0,1 jusqu'à 150 000 cycles de commu- tation, indépendamment du type d'huile de transmission. NOMENCLATURE 1 Bague de synchronisation 2 Corps de base 3 Garniture de friction 4 Denture d'entraînement Surface de friction 6 Anneau de couplage 7 Denture d'entraînement 8 Surface de friction 9 Arbre Arbre 1 Lamelles extérieures 12 Lamelles intérieures 13 Manchon de commutation 14 Levier coudé REVENDICATIONS 1 ) Ensemble de friction composé d'au moins un organe de friction et d'un organe antagoniste, au moins un organe de friction étant formé d'un corps de base (2) et d'une garniture de friction (3) reliée au corps de base (2) , caractérisé en ce que la garniture de friction (3) est un alliage chrome-fer. 2 ) Ensemble de friction selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage chrome-fer contient: -60 % Cr, 0,3-0,5 % C et le reste en fer. 3 ) Ensemble de friction selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'alliage chrome-fer contient en plus 3-25 % Mo, 0,4-3,5 % B, 3-18 % AI, 4-12 % Si, 0,5-6 % V et 0,5-6 % Nb. 4 ) Ensemble de friction selon la revendication 1, caractérisé en ce que la garniture de friction (3) a une épaisseur comprise entre 10 et 200 pm. ) Ensemble de friction selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de friction est soumis à un traitement de nitruration ou de nitro- carburation. 6 ) Ensemble de friction selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps de base (2) a une rugosité de surface Ra > 0,5 um avant de rece- voir le revêtement. 7 ) Ensemble de friction selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps de friction présente après revêtement une profondeur de rugosité Rz de 20-100,m. 8 ) Ensemble de friction selon la revendication 1, caracterisé en ce que le corps antagoniste est fabriqué en un alliage d'acier, en fonte, en alliage de cuivre ou en matière frittée. 9 ) Ensemble de friction selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'alliage d'acier est un acier de référence 16MnCr5, 10OCr6, C45, 80Cr2 ou C15. ) Ensemble de friction selon la revendication 8, caractérisé en ce que la fonte est un alliage d'acier coulé de référence GG20. 11 ) Ensemble de friction selon la revendication 8, caracterise en ce que la matière frittée est un alliage fritté à base de fer ou de bronze. 12 ) Ensemble de friction selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il est appliqué à une installation de synchronisation d'une boîte de vitesse à rapports, qui pour réaliser la synchronisation des moyens d'entraînement couplés par une liaison par la forme, comprend une bague de synchronisation (1) et un anneau de couplage (6) reliés par une liaison de friction, directement ou par un anneau de friction prévu entre eux avec des surfaces de friction coniques respectives (5, 8). 13 ) Ensemble de friction selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il est appliqué à un embrayage à lamelles muni de lamelles extérieures (11), dressées, planes, reliées à un premier arbre (10) et pénétrant à la manière d'un peigne dans les lamelles intérieures (12) de forme sinusoï- dale reliées à un second arbre (9), la liaison par friction entre les lamelles (11, 12) étant réalisée par leur pressage l'une contre l'autre.