Brevet FR2898171A1 — publié le 20070907

COURROIE DE TRANSMISSION DE PUISSANCE. La présente invention concerne une courroie de transmission de puissance, à savoir une courroie en V ou à nervures en forme de V, notamment de type K pour des applications automobiles. Les nervures de telles courroies, qui sont composées de caoutchouc vulcanisé ont des faces en contact direct avec la poulie de vilebrequin et avec les poulies des accessoires entraînés. Les moteurs à combustion interne présentent un phénomène d'acyclisme qui est d'autant plus important que le taux de compression est io élevé (notamment dans les moteurs Diesel) et que le nombre de cylindres est réduit. Cet acyclisme irnpose des contraintes mécaniques importantes aux courroies. Certains accessoires, par exemple un alternateur en charge présentent des inerties élevées, ce qui génère des niveaux de couples 15 dynamiques d'autant plus importants que l'acyclisme est élevé. Ces variations du niveau de couple se traduisent à leur tour par des écarts de tension de la courroie qui sont importants, voire très importants. Lorsque le niveau de tension de la courroie est trop bas, elle peut présenter un glissement instantané suffisamment important pour 20 empêcher l'entraînement et générer du bruit. La courroie doit donc présenter un coefficient de frottement suffisant pour éviter ce phénomène. Par contre, si le coefficient de frottement de la courroie est trop élevé, on peut observer un phénomène d'accrochage important dans la 25 poulie réceptrice, puis un décrochage brusque générateur de bruit ("stick-slip"). Une troisième cause possible de bruyance est le désalignement relatif de deux poulies, qui génère également un phénomène d'accrochage-décrochage ("stick-slip") générateur de bruit d'autant plus 30 important que le coefficient de frottement est important. Ce phénomène dépend également de la longueur de brin, des dimensions de la courroie, et de la nature des rnatériaux qui la composent. Pour remédier aux deux premières causes (coefficient de frottement trop bas ou trop élevé) il est connu de diminuer les variations de 35 tension par l'ajout de dispositifs tels qu'un filtre sur le vilebrequin (AVT), ou bien d'une roue libre ou d'une poulie découpleuse sur l'alternateur. On peut également augmenter le niveau moyen de tension de la courroie, mais cette solution ne remédie que partiellement au problème. Enfin, ces solutions ne permettent pas du tout de remédier à un désalignement très important, et de résoudre le phénomène de bruit qui lui est lié. Il est donc souhaitable de trouver une solution satisfaisante pour contrôler l'adhérence entre les courroies et les poulies et qui éventuellement évite l'adjonction de dispositifs auxiliaires tels qu'un filtre sur le vilebrequin, ou bien une roue libre ou une poulie découpleuse sur lo l'alternateur. Il a été proposé dans la Demande de Brevet Français FR 2 210 251 de limiter le bruit de contact en déposant sur la denture d'une courroie un film de polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé ou bien encore en déposant un film de polyéthylène seulement sur le haut de la 15 denture (Demande PCT WO 2004/011822) pour éviter une insuffisance de transmission de puissance à cause d'un coefficient de frottement trop faible. Dans l'un et l'autre cas, les contraintes de cisaillement et de flexion/contreflexion sont subies par le film continu, ce qui entraîne une dégradation par craquelure et fissure du film et donc une longévité 20 insuffisante du revêtement. Par ailleurs, il a été proposé d'intégrer à la denture des matériaux sous forme de charges par exemple du graphite dans le cas des Brevets US 4 024 773, US 4 031 768 ou bien encore US 4 892 510. L'intégration de ces charges est obtenu sans lien suffisant 25 avec le polymère de la denture, ce qui fait que lors d'un contact avec glissement, il y a arrachement d'éléments de charge et discontinuité du frottement caoutchouc/charge. L'arrachage de ces charges facilite les amorces de fissure et fragilise localement l'élastomère. Ainsi, les dépôts en surface proposés ne possèdent pas une 30 adhérence suffisamment forte pour garantir un coefficient de frottement suffisamment stable pendant la durée de vie de la courroie. A cause de l'abrasion, le coefficient de frottement augmente progressivement, d'où apparition progressive d'un phénomène de bruyance. La présente invention a pour objet de proposer une courroie 35 dont les performances sont améliorées en ce qui concerne le phénomène de bruyance. L'invention concerne ainsi une courroie nervurée de transmission de puissance présentant une denture en élastomère à base d'éthylène alpha oléfine, notamment l'EPDM ou l'EPM, caractérisée en ce que la denture est au moins en partie revêtue d'un film en une matière thermoplastique au moins en partie réticulé et contenant au moins 30% de polyéthylène, par exemple 30% et 90% de polyéthylène, notamment entre 50% et 90% de polyéthylène et plus particulièrement entre 80% et 90% de polyéthylène. En particulier le film peut comporter un mélange de polyoléfines au moins en partie réticulé, ou bien encore un copolymère à base de io polyéthylène, notamment un copolymère éthyléneoctène-polyéthylène. Le film présente une épaisseur qui est par exemple comprise entre 10 p et 500 p, et plus particulièrement entre 50 p et 200 p. Le film peut comporter des particules de noir de carbone, ce qui permet de lui conférer une conductivité suffisante pour éviter 15 l'accumulation de charges électrostatiques. Le film peut avantageusement comporter des particules et/ou des fibres de graphite, de bisulfure de molybdène et/ou de PTFE, ce qui permet d'augmenter les propriétés de glissement. La granulométrie des particules peut être comprise entre 15 p 20 et 200 , notamment entre 30 p et 100 , et plus particulièrement entre 30 p et 90 p. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une courroie telle que définie ci-dessus, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre l'application d'un film en matière thermoplastique tel que défini ci- 25 dessus, à l'état non réticulé ou au moins en partie réticulé (par exemple avec un taux de réticulation de 20% ou plus). Cette application s'effectue avantageusement avant formation de la denture par moulage dans un hydromoule et vulcanisation de la courroie. Au cours de la vulcanisation de la courroie (autour de 180 C), il se 30 produit un changement de structure du film qui aboutit en particulier dans un premier cas, à une réticulation partielle du film non réticulé dans un second cas, et à une augmentation du taux de réticulation du film partiellement réticulé, à condition cependant que le film soit réticulable au cours de la vulcanisation, qui s'effectue par exemple au peroxyde. 35 En particulier, une co-réticulation est susceptible de se produire entre le film et l'élastomère de la denture de la courroie (EPDM ou EPM notamment), avec entre autres pour avantage une très bonne adhésion du film sur la denture de la courroie. La figure 1 illustre une courroie automobile de type K selon l'invention. Les figures 2a et 2b représentent des essais de traction respectivement clans le sens d'extrusion dit "sens machine" (figure 2a) et dans le sens travers perpendiculaire au sens d'extrusion (figure 2b) pour trois films thermoplastiques à base de polyéthylène, respectivement en polyéthylène à très haute masse moléculaire (UHMW-courbe I), film à base io de polyéthylène basse densité (courbe II) et fil en polyéthylène de densité moyenne (courbe III). Selon la présente invention, on prévoit sur la surface 10 des dents 1 de courroie qui sont en un élastomère de la famille des éthylènes alpha oléfines, par exemple en EPDM ou en EPM, un revêtement constitué 15 par un film 2 en une matière thermoplastique au moins en partie réticulée, comportant au moins 50% de polyéthylène. Ce film de matière thermoplastique réticulée est posé sur la face externe de la feuille à l'état cru constituant la gomme de dent de l'ébauche. 20 L"ensemble est placé dans un hydromoule pour réaliser l'empreinte des dents et la vulcanisation de la courroie. Après démoulage, on découpe l'ébauche pour former les courroies individuelles. On constate une adhésion remarquable entre la feuille de la matière thermoplastique au moins en partie réticulée et la gomme de 25 dents vulcanisée. Le film de matière thermoplastique au moins en partie réticulé est en particulier un polyoléfine ou un mélange de polyoléfines qui est au moins en partie réticulé. Le degré de réticulation permet de contrôler les propriétés mécaniques du film et notamment d'éviter que son module d'Young 30 (qui caractérise sa raideur) ne soit trop élevé. Il est avantageux que le film soit un mélange de polyoléfines qui contient du polyéthylène, par exemple entre 50% et 90% de polyéthylène et plus particulièrement entre 80% et 90% de polyéthylène. Le polyéthylène co-réticule avec l'EPDM ou l'EPM grâce à la 35 présence de peroxyde ou autre agent de réticulation, ainsi qu'éventuellement la matrice du film, ce qui crée des liaisons avec l'éthylène alpha oléfine qui constitue la denture de la courroie et favorise l'adhérence du film à l'élastomère de la denture. D'autres part, la bonne compatibilité du polyéthylène avec la séquence éthylène contenue dans l'élastomère de la denture (par exemple EPDM) améliore l'interpénétration des deux couches. On choisit de préférence du polyéthylène basse densité (jusqu'à environ 0,94 g/cm3), ce qui permet de se rapprocher des caractéristiques de la gomme constituant les dents de la courroie. Le film, lorsqu'il est posé sur la feuille crue de gomme de dents, présente une épaisseur par exemple entre 10 et 500 lu, et plus io particulièrement entre 5011 et 200 . Après passage en hydromoule, et formation des dents avec vulcanisation au peroxyde de la courroie, le film subit un étirement moyen de l'ordre de 100%, ce qui fait que son épaisseur se situe entre 5 et 250 , et plus particulièrement entre 25 et 100 . Un film de 100 donne un 15 revêtement des dents dont l'épaisseur est environ 50 sur la courroie finie. Comme le montrent les figures 2a et 2b, le film à base de polyéthylène basse densité (courbe Il) ne présente pas de seuil d'écoulement dans le sens machine. La présence d'un seuil d'écoulement se traduit par une région de pente négative après le coude de la courbe. Il présente un seuil 20 d'écoulement dans le sens perpendiculaire au sens machine, mais ce seuil est moins prononcé que pour les deux autres films. Or, au cours de l'étape de vulcanisation, les propriétés du film sont modifiées, ce qui conduit à la diminution, voire à la suppression d'un seuil d'écoulement et à une diminution de la valeur du module du film (qui 25 devient plus souple). On voit donc l'intérêt du procédé utilisant un film à base de polyéthylène basse densité : supprimer le seuil d'écoulement dans le sens travers où précisément le film subit un allongement de 100% lors de la formation de dents dans l'hydromoule. La présence de ce film qui revêt les dents de la courroie 30 permet de réduire le phénomène de bruit et de conserver cet avantage dans le temps, car un tel film au moins en partie réticulé, présente une très bonne résistance à l'usure par abrasion. Il est possible d'ajouter au film thermoplastique au moins en partie réticulé un additif tel que le noir de carbone sous forme de poudre, ce 35 qui permet de conférer à la surface de la courroie une conductivité suffisante pour éviter les phénomènes d'accumulation de charges électrostatiques. Le coefficient de glissement de la courroie peut être également amélioré en incorporant au film des particules et/ou des fibres de graphite, de bisulfure de molybdène et/ou de PTFE, ce qui est favorable à la diminution du bruit. Le film thermoplastique au moins en partie réticulé présente en général de bonnes propriétés en présence d'hydrocarbures. Les résines thermoplastiques réticulables comportent un ou plusieurs polymères tels que des polyoléfines, les polystyrènes, les polyuréthanes, les polyamides et les polyesters. io Pour une courroie en EPDM ou en EPM, il est particulièrement avantageux d'utiliser un film réticulé en un polyoléfine contenant un homo ou un copolymère comprenant de l'éthylène. Les copolymères d'éthylène comprennent notamment les copolymères éthylène/alpha-oléfine ("EAO"), les copolymères éthylène/ester non saturé, 15 les copolymères éthylène/acrylate/acide acrylique, les copolymères éthylène/acide méthacrylique et les copolymères polyéthylèneéthyléneoctène. On notera que le terme copolymère recouvre les polymères issus de deux types de monomères ou plus, et inclut donc les terpolymères. Il existe différents procédés de réticulation utilisables pour le 20 film : 1) la réticulation chimique qui met en oeuvre un ou plusieurs agents de réticulation (peroxyde, silane ...), ainsi qu'une exposition à au moins une condition d'activation (chaleur, pression, et/ou radiations). La réticulation chimique est par exemple réalisée à l'aide de 25 péroxyde, entre 110 C et 220 C, notamment pour le polyéthylène et le TPE tel que SBS ou SIS, ou bien encore pour le polyéthylène chloré (CM ou CPE), ou le polyéthylène chlorosulfoné (CSM). Pour augmenter le degré de réticulation, il est possible d'ajouter au mélange utilisé pour le film des co-agents de réticulation 30 comprenant notamment des groupements acrylate (acrylate difonctionnel DA, acrylate trifonctionnel TA), méthacrylate (méthacrylate difonctionnel DMA, ou trifonctionnel TMA, triméthyol propane triméthacrylate TMPTMA), cyanurate (triallyl isocyanurate TAIC) ou bien encore PB (1,2-vinylpolybutadiene) ou mPDM (N,N'-m-phénylenedimaléimide). 35 2) la réticulation par radiations (faisceau d'électrons, rayons X, rayons gamma ou beta) pouvant ou non mettre en oeuvre des co-agents de réticulation. Pour les électrons, l'énergie est de préférence au moins égale à 104 eV. Pour une réticulation par irradiation, on utilise par exemple une dose entre 10 kGray et 300 kGray à une température entre 0 C et 60 C 5 et de préférence à température ambiante (20 C). Le degré de réticulation peut être déterminé notamment en mesurant le contenu de gel ("gel content") par exemple selon la norme ASTMD 2765-95. Un autre test pour déterminer le contenu de gel (en %) io consiste à dissoudre la fraction non réticulée dans un solvant qui ne dissout pas la fraction réticulée ("gel") de la résine. Le pourcentage obtenu est la fraction de la phase insoluble (réticulée) rapportée à la masse totale de la résine. Une autre méthode est de déterminer l'indice de fluage ("melt 15 flow index") selon la norme ASTMD 1238-98. ESSAIS COMPARATIFS Type Essai Conditions Caractéris- courroie courroie courroie (Norme) tique mesurée EPDM avec film avec film standard PE UHMW PE selon flockée l'invention Moteur moteur 4cyl. durée de vie 800 65 1200 Diesel diesel, (h) craquelure accessoires débitants, ralenti Tenue 121 C / 20Nm durée de vie 600 910 920 chaleur / K6 (h) (SAE J2432A) Qualifica-25 C / 50% Angle ( ) 2 4,5 4,5 tion bruit HR d'apparition (SAE de la J2432A) bruyance La courroie EPDM avec film PE selon l'invention testée comporte un film plastomère copolymère polyéthylène-éthyléneoctène. L'angle mesuré selon SAE J2432A est un angle de désalignement exprimé en . C'est l'angle qui a pour tangente le rapport entre le désalignement axial a (en mm) entre poulies et la longueur L du brin non désaligné. Angle = Arctg (a/L) L'essai consiste à appliquer un désalignement axial et d'écouter à partir de quel désalignement la bruyance apparaît. Plus l'angle est Io grand, meilleur est le résultat. Exemple : longueur de brin L non désalignée entre deux poulies d'essai : 80 mm ; désalignement axial (a) provoqué pour atteindre l'apparition de la bruyance = 6,3 mm ; Angle = Arctg (6,3/80) = 4,5 . REVENDICATIONS 1) Courroie nervurée de transmission de puissance présentant une denture en élastomère à base d'élastomère éthylène alpha oléfine, caractérisée en ce que la denture est au moins en partie revêtue d'un film en matière thermoplastique au moins en partie réticulée, comprenant au moins 30% de polyéthylène. 2) Courroie selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit film comporte entre 30% et 90% de polyéthylène et notamment entre 50% et 90% de polyéthylène. io 3) Courroie selon la revendication 2, caractérisé en ce ledit film comporte entre 75% et 90% de polyéthylène. 4) Courroie selon la revendication 2, caractérisée en ce que le film est constitué par un mélange de polyoléfines contenant du polyéthylène. 5) Courroie selon la revendication 2, caractérisée en ce que le 15 film est constitué par un copolymère à base de polyéthylène, notamment un copolymère éthyléneoctène-polyéthylène. 6) Courroie selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit élastomère éthylène alpha oléfine est un EPDM ou un EPM. 20 7) Courroie selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le film présente une épaisseur comprise entre 10 et 5001..1, et plus particulièrement entre 50 et 200 . 8) Courroie selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit film comporte des particules de noir de carbone. 25 9) Courroie selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit film comporte également des particules et/ou des fibres de graphite, de bisulfure de molybdène et/ou de PTFE. 10) Courroie selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les particules ont une granulométrie comprise entre 15 30 et 200 notamment entre 30 et 100 , et plus particulièrement entre 30 et 90 . 111) Courroie selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le film est à base de polyéthylène basse densité. 5 2898171 io 12) Procédé de fabrication d'une courroie de transmission de puissance selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre l'application d'un dit film en matière thermoplastique à l'état non réticulé ou au moins en partie réticulé. 13) Procédé selon une la revendication 12, caractérisé en ce que ladite application est réalisée sur la gomme de denture à l'état cru, avant formation de la denture par moulage dans un hydromoule et vulcanisation de la courroie.