Brevet FR2955162A1 — publié le 20110715

-1- La présente invention se rapporte à un joint de cardan constitué d'un embout mâle de forme sphérique et comportant deux encoches évidées hémi toriques alignées sur son plan moyen vertical, d'un embout femelle de forme intérieure hémisphérique, son rayon étant sensiblement égal au rayon extérieur de l'embout mâle, avec deux logements hémisphériques au zénith et au nadir et de deux éléments de jonction sphériques. Les deux évidements hémi toriques de rayon égal à la différence entre le rayon de la boule et celui de la bille de l'élément mâle, les deux logements hémisphériques de l'élément femelle et des deux éléments de jonction sphérique ont sensiblement le même rayon. L'élément femelle englobe pour partie l'élément mâle. (L'invention peut ressemblée à une rotule à double doigts largement améliorée) Les joints de cardan couramment utilisés sont constitués de deux axes dont une de leur extrémité comporte deux mâchoires fourchues et disposées à 100 grades puis reliées entre elles par l'intermédiaire d'un croisillon. Ce joint mécanique permet la transmission d'un mouvement de rotation d'un axe à un autre orienté dans une direction différente. Ce joint mécanique n'a pas la particularité d'être homocinétique lors qu'il est employé seul et que les axes ne sont pas alignés. La forme des terminaisons en fourche limite considérablement les capacités du joint à transmettre un couple important d'un axe à l'autre comparé à un axe de même diamètre sans joint. Le croisillon peut se révéler également un point de faiblesse. La présente invention permet de réaliser une jonction de type cardan entre deux axes tout en transmettant potentiellement un couple supérieur aux possibilités d'un cardan classique. Les mâchoires fourchues sont remplacées par une boule (pleine ou non) d'un coté et par un hémisphère creux de l'autre. La boule se loge dans l'hémisphère (système de la rotule). L'hémisphère recouvre plus de la moitié de la boule de manière continue ou non, afin de rendre tout mouvement de translation entre les deux parties impossible (seuls les mouvements de rotation de la boule dans l'hémisphère sont possibles). Le croisillon de liaison des 2 fourches est remplacé par deux billes diamétralement opposées situées dans deux logements hémisphériques de même rayon que les billes au zénith et au nadir de l'hémisphère creux. Ces deux billes peuvent se déplacer dans les deux évidements hémi toriques (de même rayon que les billes) de l'élément boule selon l'angle formé entre les deux axes lorsque l'hémisphère femelle coulisse en rotation sur la boule mâle. La transmission du couple d'un axe à l'autre ne se fait alors que par les parties sensiblement extérieures du complexe hémisphère-boule par l'intermédiaire des deux billes. La résistance mécanique du complexe boule-billes-hémisphère est bien plus 45 importante que le complexe cardan fourche-croisillon-fourche. Une des conséquences de l'invention est la possibilité d'utiliser des matières plastiques comme le polyéthylène de vinyle pour la réalisation de tel joint. Plusieurs variantes sont décrites, à savoir des variantes avec des joins de cardan sphériques double, avec ou sans allongement, avec une rotule centrale, avec des 50 éléments de jonction renforcés. 2955162 -2- Liste des figures iointes : Page 1 : Joint de Cardan sphérique avec partie femelle mono bloc 5 FIG 1 : embout mâle, vue en coupe FIG 2 : embout mâle, vue de face FIG 3 : embout femelle, vue en coupe ; on distingue les 2 hémisphères de logement des billes. FIG 4 : embout femelle, vue de face FIG 5 : joint assemblé, vue en coupe 10 Pa. e2 : Joint de Cardan s s héri s ue avec s artie femelle mono bloc et • artie en lobante discontinue FIG 6 : embout mâle, vue en coupe FIG 7 : embout mâle, vue de face FIG 8 : embout femelle, vue en coupe FIG 9 : embout femelle, vue de face FIG 10 : joint assemblé, vue en coupe 15 Page 3 : Joint de Cardan sphérique avec ajout d'une partie englobante FIG 11 : embout mâle, vue en coupe FIG 12 : embout mâle, vue de face FIG 13 : rondelle englobante de maintien, vue en coupe FIG 14 : rondelle englobante de maintien, vue de face 20 FIG 15 : embout femelle, vue en coupe FIG 16 : embout femelle, vue de face FIG 17 : joint assemblé, vue en coupe Page 4 : Joint de Cardan sphérique avec ajout d'une partie engloante (la partie en lobante comprend aussi les moitiés des 2 hémisphères de logement des billes). 25 FIG 18 : embout mâle, vue en coupe FIG 19 : embout mâle, vue de face FIG 20 : rondelle englobante de maintien, vue en coupe FIG 21 : rondelle englobante de maintien, vue de face FIG 22 : embout femelle, vue en coupe FIG 23 : embout femelle, vue de face 30 FIG 24 : joint assemblé, vue en coupe Page 5 : Double Joint de Cardan sphérique avec partie femelle mono bloc FIG 25 : embout mâle, vue en coupe FIG 26 : embout mâle, vue de face FIG 27 : embout femelle, vue en coupe 35 FIG 28 : embout femelle, vue de face FIG 29 : joint assemblé, vue en coupe FIG 30 : joint assemblé avec illustration de l'angle de travail possible, vue en coupe Page 6 : Double Joint de Cardan sphérique avec partie femelle double à allongement FIG 31 : embout mâle, vue en coupe 40 FIG 32 : embout mâle, vue de face FIG 33 : embout femelle, vue de face FIG 34 : embout femelle avec illustration allongement minimum, vue en coupe FIG 35 : embout femelle avec illustration de l'allongement max, vue en coupe FIG 36 : joint assemblé avec illustration allongement max, vue en coupe FIG 37 : joint assemblé avec illustration allongement minimum, vue en coupe 50 5 10 15 20 25 2955162 -3- Page 7 : Double Joint de Cardan sphérique, illustration de quelques variantes possibles FIG 38 : Double joint de Cardan sphérique avec la partie femelle mono bloc assemblé, vue en coupe FIG 39 : Double joint de Cardan sphérique avec la partie femelle mono bloc, partie englobantes ajoutées et ajout d'une double queue d'axe à extrémités creuses, joint assemblé, vue en coupe FIG 40 : Double joint de Cardan sphérique avec la partie femelle mono bloc, partie englobantes ajoutées, joint assemblé, vue en coupe FIG 41 : Double joint de Cardan sphérique avec la partie femelle mono bloc, partie englobantes ajoutées, joint assemblé, vue en coupe FIG 42 : Double joint de Cardan sphérique avec la partie femelle double à allongement, joint assemblé, vue en coupe Page 8 : Double Joint de Cardan sphérique avec partie femelle double à allongement et ajout d'une rotule centrale FIG 43 : Double joint de Cardan sphérique avec la partie femelle double à allongement et ajout d'une rotule centrale, joint assemblé, vue en coupe FIG 44 : Double joint de Cardan sphérique avec la partie femelle double à allongement et ajout d'une rotule centrale, avec illustration de l'angle de travail possible, vue en coupe Page 9 : Double Joint de Cardan sphérique avec partie femelle double à allongement ,ajout d'une rotule centrale et utilisation d'éléments de jonction renforcés FIG 45 : Double joint de Cardan sphérique avec la partie femelle double à allongement, ajout d'une rotule centrale et utilisation d'éléments de jonction renforcés, joint assemblé, vue en coupe longitudinale FIG 46 : Double joint de Cardan sphérique avec la partie femelle double à allongement, ajout d'une rotule centrale et utilisation d'éléments de jonction renforcés, joint assemblé, vue en coupe transversale FIG 47 : illustration de l'élément de jonction renforcé sans et avec les éléments de roulement, vue en perspective. 30 35 40 45 2955162 -4- Les pièces peuvent être issues d'un usinage, de moulage, d'extrusion ou par d'autres procédés. 5 Indication de plusieurs modes de réalisation du joint de Cardan Sphérique : Mode réalisation N°1 : méthode par moulage ou usinage, emboitement en force. Ce joint comporte 4 éléments qui peuvent être réalisés par moulage ou par 10 usinage quelque soit les matériaux utilisés. La pièce N°1 constitue l'embout mâle du joint (Fig let 2). Elle est constituée d'un axe (2) plein ou non relié à une boule (3) pleine ou non. La boule peut être obtenue par usinage ou par moulage. Cette boule peut faire partie intégrante de l'axe ou être rajoutée à lui par tous moyens (vissage, collage, soudage). 15 Cette boule (3) comporte 2 encoches (1) de forme hémi torique (fig 2 (1)) symétriques par rapport au plan de symétrie horizontal de l'axe. Ces encoches (1) peuvent être obtenues par usinage, par une fraiseuse par exemple, ou par moulage. Ces encoches permettront le déplacement des billes lors de l'assemblage du 20 joint. Les pièces N°2 et 3 constituent les billes (figl (4)) pleines ou non. Elles sont obtenues par usinage, polissage ou par moulage. Elles peuvent être également issues de l'industrie du roulement à billes par exemple. Le diamètre des billes est sensiblement égal au diamètre des cavités hémi toriques de l'embout mâle (fig 1 25 (1)) La pièce N°4 constitue l'embout femelle du joint (fig 3 et 4). Elle est constituée d'un axe (8) plein ou non, relié à un bâti évidé dont le volume général intérieur représente un hémisphère supérieur à la moitié d'une sphère. Cette particularité permettra d'interdire tout mouvement de translation entre les pièces N°1 et 4 30 après assemblage. La pièce N°4 comporte deux cavités hémisphériques (fig 3 (6)) symétriques par rapport au plan horizontal moyen de la pièce. Ces cavités ont sensiblement le même diamètre que les billes. Elles recevront dans leur logement les billes (fig 1 (4)) en leur interdisant tout déplacement par rapport à cette pièce (sauf la rotation 35 sur elle-même). L'assemblage de ces pièces pour réaliser le joint de cardan sphérique peut être réalisé de la manière suivante par exemple : Si l'ensemble de ces pièces est métallique, on introduit les 2 billes dans les cavités hémisphériques (fig 3 (6)) de l'embout femelle. On peut les maintenir 40 provisoirement dans cette position en plaçant des aimants aux verticales des cavités sur la partie extérieure de l'embout femelle. Les embouts mâle et femelle sont ensuite positionnés telles que les billes glissent dans les cavités hémi toriques (fig 2 (1)) de l'embout mâle. Ensuite, l'embout mâle est rentré en force dans l'embout femelle. L'embout 45 femelle peut être chauffé au préalable (fig 5). Une variante peut être réalisée grâce à une découpe pour partie de l'extrémité de la partie englobante de l'embout femelle (fig 8(9) et fig 9 (9)) pour facilité l'emboitement et limiter la déformation des pièces (élasticité). Une pièce de maintien de forme torique, cylindrique ou hémisphérique pourra être rajoutée 50 afin d'assurer et de renforcer la partie englobante dont le rôle est d'interdire tout -5- mouvement de translation entre les parties mâle et femelle. Les 2 billes peuvent être remplacées par des pièces cylindriques doublées ou non avec un ensemble de roulement à aiguilles. Dans cette situation, les 2 encoches de l'élément mâle ont une section rectangulaire et non demi-circulaire. Mode de réalisation N°2 : Idem réalisation 1 avec la partie englobante de l'embout femelle appelée « rondelle de maintien » (fig 14 (10) et fig 13) qui est réalisée à part puis est fixée à l'embout femelle lors du montage du joint par visage (fig 17 (11)), collage, soudage ou autre emboitement. Cette partie (fig 14 (10)) peut être dénommée « couronne de maintien ». Elle a une épaisseur variable selon la résistance du joint voulue et la surface de contact souhaitée et l'angle possible entre les axes désiré lors du fonctionnement du joint. Cette partie n'est pas forcément réalisée d'un seul élément. Le montage du joint s'effectue de la manière suivante par exemple : Introduction de la couronne de maintien coté élément mâle. Introduction de l'élément mâle dans l'élément femelle avec cavités hémi toriques coté mâle alignées avec les 2 logements hémisphériques de l'élément femelle tout en maintenant les 2 billes dans leur logement respectif (fig 16 (6)). Les cavités hémisphériques peuvent être réalisées, moitié sur la couronne de maintien, l'autre moitié faisant partie de l'élément femelle du joint (fig 20 à 24). Avantage : facilité pour introduction des billes et possibilité de partie englobante supérieure, pas d'introduction en force de l'élément mâle dans l'élément femelle. Les 2 billes peuvent être remplacées par des pièces cylindriques doublées ou non avec un ensemble de roulement à aiguilles. Dans cette situation, les 2 encoches de l'élément mâle ont une section rectangulaire et non demi-circulaire. Mode de réalisation N°3 fig 25 à 30 : Idem réalisations 1 et 2 avec parties femelles jumelées dos à dos, les cavités hémisphériques de logement des billes étant dans un même plan vertical. En positionnant le centre de ce joint ainsi assemblé sur l'axe de rotation, on obtient un joint homocinétique tel un double cardan classique. Mode de réalisation N°4 fig 31 à 37 : idem réalisation 3 avec possibilité d'allongement entre les deux cavités hémisphériques creuses des parties femelles jumelées dos à dos. Les deux parties dos à dos peuvent s'écarter en coulissant l'une sur l'autre par l'intermédiaire de cannelures mâles-femelles (17). 45 50 2955162 -6- Mode de réalisation N°5 : idem réalisation 3 et 4 mais ajout d'une liaison pivot ou rotule (fig 43(12)) centrée entre les deux parties d'embout male du joint de 5 cardan sphérique double, à allongement ou non. (Fig 43 et 44) La rotule ou le pivot, partie male à extrémité sphérique pouvant pivoter dans la partie opposée femelle creuse de forme sphérique de diamètre sensiblement identique. Cette liaison entre les deux embouts males du joint double pourra être rajoutée aux embouts (soudage, vissage, emboitement) ou faire partie intégrante 10 de ceux-ci. Le centre de cette liaison est positionné sur le point d'intersection formé par les 2 axes des embouts males et à égale distance des centres des boules des embouts males. Cette amélioration permet de garantir une liaison homocinétique entre deux axes en réduisant le nombre de paliers nécessaires et en concentrant la liaison pivot 15 ou rotule à l'intérieur du joint. La liaison rotule ou pivot entre les éléments males peut être utilisée avec le joint sphérique double sans allongement, ce qui permet de garantir la transmission homocinétique d'un couple entre deux axes formant un angle fixe ou avec le joint sphérique double à allongement, ce qui permet de garantir la transmission 20 homocinétique d'un couple entre deux axes formant un angle variable. Mode de réalisation N°6 : idem réalisation 1 à 5 mais ajout d'un élément mobile de recouvrement partiel de la cavité de l'élément male. L'élément male du joint peut être constitué d'une extrémité sphérique comportant deux encoches 25 évidées. Cet élément mobile glisse et remplit de manière complète ou non la moitié de ces cavités. Ses extrémités peuvent être de forme sphérique creuse afin d'épouser la forme des billes de jonction ou de forme cylindrique creux si les éléments de jonction sont de forme cylindrique. Cet ajout nécessite que la queue d'axe soit ajourée dans le prolongement des cavités selon une section 30 sensiblement identique à la section de l'élément de recouvrement. Cet élément peut être constitué de plusieurs éléments mais ne doit pas dépasser du volume de la sphère de l'élément male afin de permettre le glissement de l'élément femelle sur l'élément male. Cette amélioration permet de réduire les frottements du joint occasionné dans un 35 milieu liquide, d'augmenter l'étanchéité du joint, d'augmenter la sécurité du joint en réduisant les possibilités de pinçage et d'accrochage. Mode de réalisation N°7 : idem réalisation 1 à 6 mais ajout de billes de roulement entre les parties males, femelles et des parties englobantes. Les billes 40 ne doivent pas se trouver sur la trajectoire des parties évidées des éléments males. Cette amélioration permet de réduire les frottements. 50 -7- Mode de réalisation N°8 : idem réalisation 1 à 7 mais l'élément de jonction est remplacé par une pièce de forme plus complexe (fig 45 à 47 (13)) afin d'augmenter la capacité du joint à transmettre un couple important. L'élément de jonction est constitué d'un corps (fig 45 à 47 (13)) et de pièces de roulement fig 45 à 47 (14, 15 et 16). Cet élément peut être constitué de plusieurs éléments. La partie supérieure de l'élément de jonction est de forme cylindrique. Cette forme autorise la rotation de l'élément de jonction par rapport à l'élément femelle suivant un axe confondu avec l'axe du cylindre et passant par le centre de la sphère intérieure de l'élément femelle. Des éléments de roulement (fig 45 à 47 (14)) peuvent être rajoutés entre la partie cylindrique de l'élément de jonction et la partie cylindrique creuse de l'élément femelle afin de réduire les frottements. La partie inférieure de l'élément de jonction possède sensiblement la même section que la rainure de jonction de l'élément mâle (fig 45 et 46 (1)) afin de remplir partiellement cette dernière. La surface de contact entre la rainure de l'élément mâle (fig 45 (1)) et l'élément de jonction (fig 45 à 47 (13)) est donc sensiblement supérieure que lors de l'utilisation d'une bille ou d'un cylindre. Cet élément ne doit pas dépasser du volume de la sphère de l'élément male afin de permettre le glissement de l'élément femelle sur l'élément male, sauf pour la partie de jonction avec l'élément femelle. Des éléments de roulement peuvent être rajoutés. Sur les faces latérales de la partie inférieure : les éléments de roulement (fig 45 à 47 (15)) sont de forme tronconique dont l'axe et la génératrice passe par le centre des sphères des éléments mâle et femelle afin de transmettre le maximum de couple et de limiter les frottements lors des mouvement de rotation selon un axe perpendiculaire à celui de l'élément mâle de l'élément de jonction dans la gorge de l'élément mâle. De ce fait, les gorges de l'élément mâle auront pour section un trapèze dont les prolongements cotés sont sécants sur le centre des sphères des éléments mâle et femelle. Sur la face de dessous de la partie inférieure, de forme générale cylindrique, des éléments de roulement (fig 45 à 47 (16)) de type aiguilles ou rouleaux peuvent être ajoutés afin de limiter les frottements lors du dépassement de l'élément de jonction le long de la gorge de l'élément mâle. 45 50