Brevet FR2879271A1 — publié le 20060616

Domaine de l'invention La présente invention concerne un couplage frottant composé d'au moins un premier organe de friction et d'un second organe de friction comme organe complémentaire. Etat de la technique Un tel couplage frottant est utilisé par exemple dans les boîtes de vitesses synchronisées de véhicules automobiles dans les-quelles lorsqu'on commute un pignon tournant librement sur un axe, on pousse axialement une bague de synchronisation sur une bague de couplage associée au pignon et synchronisée sur l'arbre. La transmission des efforts est assurée par un manchon coulissant solidaire en rotation de l'arbre mais coulissant axialement sur celui-ci, par l'intermédiaire d'une denture de verrouillage et/ ou d'entraînement radial ou axial avec la bague de synchronisation. Ensuite, le pignon que le manchon coulissant continue de déplacer dans la direction de l'axe en- grène avec la denture d'engrènement de la bague de couplage elle-même reliée à l'arbre par une liaison de forme. Pour réaliser la synchronisation entre la bague de synchronisation et le pignon, la bague de synchronisation présente des surfaces de friction coniques internes ou externes qui viennent en contact avec une surface complémentaire de la bague de couplage lors de la pression de la bague de synchronisation; la liai-son par friction réalise ensuite le synchronisme nécessaire pour commuter l'accouplement par la forme. De plus, on peut avoir une bague de friction entre les surfaces de friction dans le cas d'une synchronisa- tion à double cône. Comme solution technique, connue, pour les installations de synchronisation comportant des surfaces de friction coniques qui coopèrent, on utilise des couplages frottants réalisés avec différentes matières glissantes et frottantes comme par exemple des laitons particuliers, des bronzes, des surfaces couvertes de molybdène, d'oxyde ou à plusieurs couches frottant contre une surface d'acier traitée. Ainsi, dans ce contexte, le document DE 42 40 157 Al décrit une bague de synchronisation composée d'un corps annulaire muni d'une zone de glissement garnie d'une couche appliquée par re- vêtement par projection. La couche est constituée d'un alliage de laiton formé de cuivre, de zinc et d'au moins un élément du groupe suivant: aluminium, manganèse, fer, nickel, silicium, cobalt, chrome, titane, niobium, vanadium, zirconium et molybdène. Le revêtement est réalisé sous la forme d'une couche pulvérisée. L'alliage de laiton doit avoir une structure formée d'une matrice métallique et de combinaisons intermétalliques plus dures que la matrice. Mais on risque que des parties de la combinaison intermétallique se détachent et ne soient évacuées par l'huile ce qui augmenterait l'usure de cône complémentaire. Un autre inconvénient est la très grande sensibilité des alliages de laiton vis-à-vis de l'huile. Un autre inconvénient des alliages de laiton est que leur coefficient de friction dépend fortement de la température et ces alliages ont tendance à devenir abrasifs. En outre, les alliages de laiton sont relativement coûteux ce qui est important en particulier dans le cas de la projection car seulement la moitié de la matière est réellement projetée et l'autre moitié doit être récupérée d'une façon compliquée. Les revêtements coûteux, résistant à l'usure formés par les oxydes de céramique tels que par exemple du trioxyde de dialuminium conduisent à une forte usure par abrasion de l'autre partie du couplage frottant avec pour con-séquence une fiabilité de durée réduite. Pour résoudre ces problèmes, le document DE 100 35 489 Al propose un revêtement de friction en un alliage chrome-fer. Un tel revêtement de friction convient tout particulièrement mais sa capacité de puissance est limitée. Les propriétés recherchées telles que la résistance à la température, la faible usure et la forte tenue surfaci- que peuvent ne s'obtenir en même temps qu'avec des additifs. Ces additifs sont principalement le molybdène, le bore, l'aluminium, le silicium, le vanadium et le niobium. Ces produits ne sont disponibles qu'en quantité limitée et renchérissent ainsi de manière considérable la fabrication de la garniture de friction. Il a également déjà été proposé par exemple selon le document US 6 130 176, des tissus en carbone que l'on colle sur les bagues de synchronisation. Mais ces tissus sont coûteux à cause de leur fabrication et leur traitement est compliqué. Les couplages frottants dans lesquels l'un des deux élé- ments est en un matériau ferreux avec une zone marginale résistant à l'usure comme cela a déjà été proposé par exemple dans le document DE 44 45 898 Al, se traduisent par une usure par adhérence ou l'absence de coefficient de friction constant pendant toute la durée de vie. Le même problème se rencontre si, comme proposé dans le docu- ment DE 100 06 168 Al, on nitrure seulement l'un des deux éléments du couplage frottant. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un cou-plage frottant de forte capacité et en même temps économique, ayant une faible usure par adhésion et abrasion et dont la fabrication soit simple. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un couplage frottant du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'au moins une partie impor- tante de la surface du premier organe de friction possède une teneur en dioxyde de titane et la surface du second organe de friction est en un matériau ferreux dont les zones marginales ont été modifiées. Pour la modification des zones marginales, on utilise tout particulièrement des procédés de diffusion thermique. Pour cela, on utilise selon l'invention de préférence un traitement de nitruration de nitrocarburation ou de carbonitruration. Ce traitement développe des nitrures ou des carbonitrures enrichis de manière préférentielle dans la zone marginale. Cette couche également appelée couche de liaison et dans la suite, couche de frottement, modifie une nouvelle fois le carac- tère métallique de la surface de sorte que ce second organe frottant offre une plus grande résistance aux attaques mécaniques externes. La seconde couche marginale présente d'une manière particulièrement avantageuse dans le cas de la nitruration ou de la nitrocarburation, une épaisseur de 5 à 20 microns et dans le cas de la carbonitruration, une épaisseur de 100 jusqu'à 500 microns. Selon l'invention, la combinaison du premier et du second élément frottant présente un coefficient de friction approprié pour cette application. On diminue l'adhérence vis-à-vis de l'autre élément d'usure et on augmente la résistance au frottement. Suivant une ca- ractéristique de l'invention, on envisage tout particulièrement des aciers nitrurés tels que par exemple: 34CrA16, 34CrA1Ni7, 31 CrMo 12, 31 CrMoV9, 39CrMoV 13-9, 34CrA1M05, 41 CrA1Mo7 et 15CrMoV5-9, mais aussi 100Cr6, 80Cr2 et 16MnCr5. Selon l'invention, le second élément frottant ainsi traité coopère avec le premier élément ou corps frottant. Ce dernier est en dioxyde de titane et sa surface possède une première couche de frotte-ment en dioxyde de titane. La première couche de frottement peut être fabriquée par des procédés de pulvérisation thermique habituels. Il a de préférence la rugosité provenant de la pulvérisation et l'oxyde céramique est combinée à d'autres composants. On supprime ainsi d'une part une fabrication compliquée d'un alliage et d'autre part le procédé de fabrication est très simple car on économise le lissage et le calibrage. De ce fait, les matières et le procédé de fabrication sont très économiques. La couche de frottement en dioxyde de titane combinée à élément frottant complémentaire présente une très faible tendance à l'usure tout en ayant un coefficient de frottement constant pendant toute la durée de vie. Contrairement au couplage frottant décrit dans le document DE 44 45 898, le coefficient de friction de cette paire frottante ne change pas pendant toute la durée de vie. La couche de dioxyde de titane est appliquée de préférence par un procédé de pulvérisation thermique. Les procédés de pulvérisation envisageables sont la pulvérisation au plasma, la pulvérisation à la flamme, la pulvérisation à l'arc électrique ou un pro-cédé de pulvérisation à la flamme à grande vitesse. En plus de la pulvé- risation thermique, on peut également envisager d'autres sortes de combinaisons entre la couche frottante et le corps de base. C'est ainsi que la couche frottante peut également être collée ou frittée sur le corps de base. D'une manière particulièrement avantageuse, la couche de dioxyde de titane a une épaisseur comprise entre 20 et 100 microns, une rugosité comprise entre 10 et 50 microns et une dureté comprise entre 600 et 1000 HV. Le revêtement se réalise d'une manière particulièrement simple car il ne nécessite aucun autre composant que le dioxyde de titane. Le dioxyde de titane n'a pas à être chimiquement pur ce qui aug- menterait inutilement son coût mais il peut contenir par exemple des impuretés métalliques, des oxydes ou des carbures. A côté du dioxyde de titane, pour la première couche frottante, aucun composant complémentaire défini n'est nécessaire. Une teneur aussi élevée que possible de dioxyde de titane dans la première couche frottante est optimale pour le comportement en friction. De même la première couche frottante peut également avoir une teneur beaucoup plus faible en dioxyde de titane. Dans la mesure où la teneur en dioxyde de titane représente au moins 30 %, le couplage par frottement par coopération avec la seconde couche frottante nitrurée, nitrocarburée ou carbonitrurée aura toujours des caractéristiques de frottement avantageuses. Dessins La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une coupe partielle d'un couplage frottant d'un dispositif de synchronisation d'une boîte de vitesses, - la figure 2 est une section d'un embrayage à lamelles, - la figure 3 est une vue à échelle agrandie des lamelles à l'état em- brayé, - la figure 4 est une vue à échelle agrandie des lamelles à l'état embrayé. Description de modes de réalisation de l'invention la figure 1 montre en coupe une bague de synchronisa- tion 1 comme premier élément frottant 17 et un anneau de couplage 6 comme second élément frottant 18. La bague de synchronisation 1 comporte un premier corps de base 2 dont la surface enveloppe conique intérieure est munie d'une couche de friction 3. La bague de synchronisation 1 est munie radialement d'une denture d'entraînement 4 pour être reliée par un manchon coulissant non représenté solidairement à un arbre tout en pouvant coulisser axialement. La denture d'entraînement 7, radiale de la bague de couplage 6 engrène dans une denture correspondante du manchon coulissant pour réaliser une liai-son par la forme entre l'arbre et la bague de couplage 6. La synchroni- sation nécessaire pour réaliser la liaison par la forme entre la bague de synchronisation 1 et la bague de couplage 6 est assurée par un cou-plage conique c'est-à-dire que la bague de synchronisation 1 comporte un cône intérieur et la bague de couplage 6 un cône extérieur ayant respectivement des surfaces de friction 5 et 8; la surface de friction 5 est constituée par la couche de friction 3. La bague de synchronisation 1 de l'exemple de réalisation est en 80Cr2 c'est-à-dire qu'elle a une teneur en carbone de 0,8 % et une teneur en chrome de 0,50 %. Cette bague est fabriquée par un usinage sans enlèvement de copeaux à partir d'un élément mis en forme. Cette opération, par exemple une opération d'étirage peut se faire de manière précise rendant inutile tout meulage pour régler une certaine hauteur. Après le dégraissage ou le nettoyage de cette ébauche de bague de synchronisation, on la soumet à un jeu approprié dans un équipe-ment pour donner à sa surface une certaine rugosité. Après le traite- ment par un jet, on enlève le résidu avant de réaliser le revêtement avec la couche de friction 3. Le traitement au jet pour obtenir une profondeur de rugosité définie ou une rugosité nécessaire pour que la couche de friction 3 offre une bonne caractéristique d'accrochage sur le corps de base 2 de la bague de synchronisation 1. Un avantage supplémen- taire du traitement au jet est que la couche de surface de la bague de synchronisation 1 se renforce et présente une plus grande résistance aux oscillations, permanente. Par le traitement au jet avec du corindum, du carbure de silicium ou autres agents, on nettoie la surface de contact, on la rend rugueuse et on active cette surface. Pour éviter tout nouvel encrassage ou toute nouvelle oxydation, l'application de la couche de friction 3 qui constitue la surface de friction ou surface frottante 5 doit se faire immédiatement après le traitement au jet. La couche de friction 3 qui constitue la surface 15 est appliquée sur le cône intérieur de la bague de synchronisation 3 sous la forme d'une couche de dioxyde de titane. L'application de la couche de friction 3 sur la bague de synchronisation 1 se fait par pulvérisation thermique, c'est-à-dire par un procédé de revêtement consistant à faire fondre le dioxyde de titane que l'on pulvérise à l'intérieur ou à l'extérieur d'un appareil de pulvéri- sation et de le projeter à vitesse élevée sur la surface de contact ou la surface conique de la bague de synchronisation 1 à revêtir. La surface du cône intérieur de la bague de synchronisation 1 ainsi munie d'un revêtement n'est pas fondue ou ramollie, c'est-à-dire que la bague de synchronisation 1 ne chauffe que très faiblement pendant la pulvérisa- tion ce qui évite toute déformation thermique. De manière avantageuse, on a constaté que cela convient tout particulièrement pour la présente application, notamment pour la pulvérisation à la flamme à vitesse élevée. Par la pulvérisation à la flamme, l'énergie nécessaire à la fusion de la matière pulvérisée est fournie par la combustion de gaz ou de liquides. La bague de couplage 6 de l'exemple de réalisation est fa-briquée par un procédé de mise en forme sans usinage avec enlèvement de copeaux et constitue le second corps de base 20 de façon à réaliser une seconde couche de friction 21. Celle-ci peut être rendue rugueuse ou recevoir une structure. La bague de couplage 6 peut également être traitée par un procédé de durcissement tel qu'une trempe chimique. Ce n'est qu'ensuite que l'on effectue la nitruration ou la nitrocarburation ou la carbonitruration. Pour le fonctionnement du couplage frottant 19, il im- porte peut laquelle des deux surfaces 15, 16 se trouve sur la bague de synchronisation 1 et laquelle des deux se trouve sur la bague de cou- plage 6. Dans le dispositif de la figure 2, on a représenté deux arbres 9, 10 reliés par un couplage frottant 19' commutable sous la forme d'un couplage à lamelles de type sinus. L'arbre 10 porte les lamelles extérieures 11 et l'arbre 9 porte les lamelles intérieures 12. Les lamelles extérieures 11 meulées planes pénètrent à la manière de peignes dans les lamelles intérieures 12 à ondulation sinusoïdale. L'état de couplage représenté à la figure 4 s'obtient par coulissement d'un manchon de commutation 13 pour le levier coudé 14 qui presse les unes dans les autres les lamelles 11, 12 coulissantes axialement. Lors du débrayage ou l'embrayage selon la figure 3, on supprime la pression exercée sur le paquet de lamelles si bien que les lamelles intérieures 12 et les lamelles extérieures 11 se séparent. Le paquet de lamelles intérieures 12 et le paquet de lamelles extérieures 11 forment les surfaces 15, 16 selon l'invention comme premier et second organe de frottement de l'embrayage à friction 19'. NOMENCLATURE 1 Bague de synchronisation 2 Premier corps de base 3 Première couche de friction 4 Denture d'entraînement Surface de friction 6 Bague de couplage 7 Denture d'entraînement 8 Surface de friction 9 Arbre Arbre 11 Lamelle extérieure 12 Lamelle intérieure 13 Manchon de commutation 14 Levier coudé Surface 16 Surface 17 Premier organe de friction 18 Second organe de friction 19 Couplage frottant 19' Couplage frottant Second organe de base 21 Seconde couche de friction REVENDICATIONS 1 ) Couplage frottant composé d'au moins un premier organe de friction et d'un second organe de friction comme organe complémentaire, caractérisé en ce qu' au moins une partie importante de la surface (15) du premier organe de friction (17) possède une teneur en dioxyde de titane et la surface (16) du second organe de friction (18) est en un matériau ferreux dont les zones marginales ont été modifiées. 2 ) Couplage frottant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface (16) du second organe de friction (18) est traitée par un pro-cédé de diffusion thermochimique. 3 ) Couplage frottant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier organe de friction (17) est formé d'un premier corps de base (2) et d'une première couche de friction (3), la première couche de friction (3) étant appliquée par pulvérisation thermique et présentant la rugosité résultant de la pulvérisation. 4 ) Couplage frottant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier organe de friction (17) se compose d'un premier corps de base (2) et d'une première couche de friction (3), cette première couche de friction (3) étant en dioxyde de titane. 5 ) Couplage frottant selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première couche de friction (3) est appliquée par pulvérisation à la flamme, au plasma ou à l'arc électrique ou encore par un procédé de pulvérisation à la flamme à grande vitesse. 6 ) Couplage frottant selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première couche de friction (3) a une épaisseur comprise entre 20 et 100 microns. 7 ) Couplage frottant selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première couche de friction (3) a une rugosité comprise entre 10 et 50 microns. 8 ) Couplage frottant selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première couche de friction (3) a une dureté comprise entre 600 et 1000 HV. 9 ) Couplage frottant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second organe de friction (18) se compose d'un second corps de base (20) et d'une seconde couche de friction (21), la seconde couche de friction (21) étant en un matériau ferreux nitruré ou nitrocarburé ou carbonitruré. 10 ) Couplage frottant selon la revendication 9, caractérisé en ce que le matériau ferreux est du 34CrA16, 34CrA1Ni7, 31 CrMo 12, 31CrMoV9, 39CrMoV13-9, 34CrA1M05, 41 CrA1Mo7 et 15CrMoV5-9, mais aussi 100Cr6, 80Cr2 ou 16MnCr5. 11 ) Couplage frottant selon la revendication 9, caractérisé en ce que le matériau ferreux est traité. 12 ) Couplage frottant selon la revendication 9, caractérisé en ce que la seconde couche de friction (21) est nitrurée ou nitrocarburée et son épaisseur est comprise entre 5 et 20 microns. 13 ) Couplage frottant selon la revendication 9, caractérisé en ce que la seconde couche de friction (21) est carbonitrurée et à une épaisseur comprise entre 100 et 500 microns. 14 ) Couplage frottant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il (19) est appliqué à une installation de synchronisation d'une boîte de vitesses à pignon comportant pour la synchronisation des moyens d'entraînement susceptibles d'être couplés par une liaison par la forme, une bague de synchronisation (1) et une bague de couplage (6) reliées directement ou par une bague de friction intermédiaire aux surfaces de friction respectivement coniques (5, 8) pour réaliser une liaison par friction. 15 ) Couplage frottant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il (19') est appliqué à un embrayage à lamelles, dont un premier arbre (10) porte des lamelles extérieures (11) meulées planes pénétrant à la manière d'un peigne dans des lamelles intérieures (12) de forme sinusoïdale reliées à un second arbre (9), la liaison par friction entre les lamelles (11, 12) étant réalisée par compression des lamelles.