Brevet FR2958353A1 — publié le 20111007

i BOITE DE VITESSES, EN PARTICULIER POUR VEHICULE AUTOMOBILE, AINSI QU'UN ARBRE OU DES ARBRES POUR UNE TELLE BOITE DE VITESSES ET PROCEDE DE FABRICATION DE TELS ARBRES L'invention concerne une boîte de vitesses, en particulier pour des véhicules automobiles, comprenant au moins deux arbres transmettant un couple, tels qu'un arbre primaire, et un arbre secondaire, ou des arbres d'un type analogue, comprenant au moins une roue dentée prévue sur l'arbre montée fixement et servant à la transmission directe de la roue dentée à l'arbre, et inversement. io L'invention concerne également un procédé de fabrication de tels arbres. Les arbres de transmission destinés à équiper les boîtes de vitesses doivent pouvoir supporter de fortes contraintes mécaniques (torsions, vibrations ...) et de température dans un milieu confiné proche du moteur et baignant en permanence dans l'huile chaude contenue dans le carter de boîte de vitesses. 15 Pour pouvoir résister à ces contraintes, les arbres de transmission sont généralement réalisés en acier par des procédés de forgeage à chaud en ce qui concerne les arbres primaires (arbres menants) et à chaud ou à froid en ce qui concerne les arbres secondaires (arbres menés). Les arbres bruts forgés sont généralement plein (sans cavité intérieure) à 20 l'exception d'un perçage central usiné après forgeage pour permettre le passage de l'huile nécessaire à la lubrification des pignons menants et menés supportés par les arbres. Ces arbres pleins ont l'inconvénient d'être lourds et, d'autre part, de transmettre les vibrations mécaniques du moteur, de générer de la traînée de 25 boîte de vitesses, autrement dit du frottement et par conséquent de l'usure des pignons supportés par les arbres. Pour réduire le poids des arbres, de nombreux procédés ont été mis en oeuvre pour fabriquer des arbres creux et donc allégés en matière. Parmi ceux-ci, on connaît notamment du document DE4437396, un procédé 30 consistant à réaliser des arbres à cames creux, à partir de deux demi-coquilles préfabriquées obtenues par estampage sous presse à forger ou par moulage. Les 2 deux demi-coquilles sont ensuite assemblées et soudées pour réaliser un arbre à cames creux. Bien que ce document traite d'un procédé de fabrication d'un arbre à cames, il peut être aisément transposé à la fabrication d'autres types d'arbres comme un vilebrequin ou un arbre de transmission comportant des pignons taillés dans la masse ou rapportés sur l'arbre par frettage ou emmanchement à force. Bien que ce procédé apporte une solution satisfaisante en termes de gain en poids de l'arbre, il ne permet pas de répondre de manière satisfaisante aux contraintes de vibration et de torsion des arbres de transmission d'une boîte de io vitesses, contraintes auxquelles ces types d'arbres sont soumis en permanence. Pour pallier ces inconvénients, la présente invention apporte une solution simple à mettre en oeuvre industriellement sans rajouter de poids significatif au poids des arbres primaires et secondaires et donc à la boîte de vitesses. D'autre part, cette solution permet de continuer à acheminer l'huile à 15 l'intérieur des arbres à des fins de lubrification des pignons et autres pièces rapportées sur les arbres de transmission. A cet effet, la présente invention a pour premier objet une boîte de vitesses, en particulier pour des véhicules automobiles, comprenant au moins deux arbres transmettant un couple, caractérisée en ce que au moins un des arbres est creux 20 et est rempli d'un matériau plastique de densité inférieure à celle du matériau constituant l'arbre ; ledit matériau plastique étant compatible, en termes de tenue thermique et chimique, avec l'huile chaude contenue dans le carter de boîte de vitesses. La présente invention a pour deuxième objet, un arbre de boîte de vitesses 25 telle que mentionnée ci-dessus, caractérisé en ce que l'arbre comporte un corps creux en acier définissant une cavité à l'intérieur de l'arbre, cavité qui est remplie par le matériau plastique qui est un matériau thermo-déformable choisi parmi au moins les matériaux du type Polyamide (PA6, PA66, PA46, PA6-66...), du type polyphthalamide PPA (PA6T/66, PA6T/61, ...) ou du type PBT ; l'épaisseur du 30 corps creux constituant l'enveloppe de l'arbre et la cavité du corps constituant le coeur de l'arbre. 3 Selon une caractéristique, le corps creux est formé par deux demi-coquilles assemblées entre elles et délimitant la cavité intérieure remplie du matériau plastique thermo déformable. Selon une autre caractéristique, la cavité s'étend à l'intérieur de l'arbre et débouche à l'une au moins de ses deux extrémités. La présente invention a pour troisième objet, un procédé de fabrication d'un arbre tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu'il consiste : - dans une première étape, à fabriquer deux demi-coquilles qui sont chacune estampée sur une presse à forger à partir d'un lopin en acier forgé ou moulé, puis io cisaillée ou sciée à la longueur voulue ; - dans une deuxième étape, à assembler et souder entre elles les deux demi-coquilles pour définir, une fois assemblées, la cavité d'un corps creux métallique allongé ; l'épaisseur du corps creux constituant l'enveloppe de l'arbre et la cavité du corps constituant le coeur de l'arbre ; et 15 - dans une troisième étape, à remplir le coeur de l'arbre, préalablement chauffé ou non, d'un matériau plastique thermo-déformable, compatible en termes de tenue thermique et chimique avec l'huile chaude contenue dans le carter de la boîte de vitesses Selon une caractéristique, le procédé consiste dans la troisième étape : 20 - à mettre en place l'arbre dans un moule ; - à injecter le matériau plastique dans la cavité de l'arbre ; - à refroidir l'arbre si nécessaire ; et - à extraire l'arbre du moule. Selon une autre caractéristique, le procédé consiste, en outre, à injecter un 25 gaz dans la cavité en même temps que l'injection du matériau plastique dans la cavité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description faite ci-dessous, cette dernière étant effectuée à titre descriptif et non limitatif en faisant référence à la figure unique 30 (figures 1) représentant un arbre de transmission d'une boîte de vitesses obtenu par un procédé de fabrication selon l'invention. 4 On décrit ci-après en détail la succession des étapes d'un procédé de fabrication d'un arbre 1 selon l'invention. Le procédé consiste, dans une première étape, à fabriquer un arbre 1 en deux demi-coquilles 11 et 12. Chaque demi-coquille 11 ou 12 est soit estampée sur une presse à forger à partir d'un lopin en acier forgé soit moulée, puis cisaillée ou sciée à la longueur voulue. Dans une deuxième étape, les deux demi-coquilles 11 et 12 sont assemblées et soudées entre elles pour définir, une fois assemblées, un corps creux tubulaire allongé 13 comportant une cavité intérieure 14. La cavité 14 io s'étend à l'intérieur et le long du corps tubulaire 13 de l'arbre 1 et débouche à l'une au moins de ses deux extrémités 15 et 16. L'épaisseur du corps creux 13 constitue l'enveloppe de l'arbre 1 et la cavité du corps 14 constitue le coeur de l'arbre 1. Le procédé consiste ensuite, dans une troisième étape, à remplir le coeur de 15 l'arbre 14, préalablement chauffé ou non, d'un matériau plastique 17, de préférence thermo-déformable, compatible en termes de tenue thermique et chimique avec l'huile chaude contenue dans le carter de boîte de vitesses (non représenté), et qui soit par ailleurs aisément injectable. Des matériaux thermo-déformables 17 compatibles sont par exemple du type 20 Polyamide (PA6, PA66, PA46, PA6-66...), du type polyphthalamide PPA (PA6T/66, PA6T/61, ...) ou du type PBT. On décrit ci-après en détail l'ensemble des trois principales étapes de fabrication de l'arbre creux 1. Dans la première étape de fabrication de chacune des première et deuxième 25 demi-coquilles 11 et 12, le procédé consiste à : - débiter un lopin d'acier ; - chauffer le lopin par induction ; - estamper la demi-coquille 11, 12 ; - ébarber la demi-coquille 11, 12 ; et 30 - refroidir la demi-coquille 11, 12. Dans la deuxième étape d'assemblage des deux demi-coquilles 11 et 12, le procédé consiste à : - positionner précisément les deux demi-coquilles 11 et 12 en regard l'une de l'autre ; - souder les deux demi-coquilles 11 et 12 avec ou sans apport de matière ; - ébarber l'excès de soudure à l'extérieur de l'arbre 1; 5 - refroidir l'arbre 1 ; - recuire l'arbre 1 de manière isothermique ; - traiter la surface extérieure de l'arbre 1 par grenaillage ; - contrôler l'aspect et les dimensions de l'arbre 1, et - contrôler s'il y a présence de défauts superficiels du type replis ou lignes de io barres de l'arbre 1 par exemple par un procédé magnétoscopique en sondage ou unitaire. Et dans la troisième étape de remplissage de l'arbre 1 par du matériau plastique thermo-déformable 17, le procédé consiste à : - mettre en place l'arbre 1 dans un moule (non représenté) ; 15 - injecter le matériau plastique 17 dans la cavité 14 de l'arbre 1 à l'aide d'une presse d'injection en un point à l'extrémité de l'arbre 1 ; - refroidir l'arbre 1 si nécessaire ; et - extraire l'arbre 1 du moule. Par comparaison avec l'injection d'une pièce 100% plastique, l'arbre creux 20 métallique remplirait le rôle de moule de remplissage. A ceci près que dans le procédé selon la présente invention, on ne démoule pas la pièce plastique. En fonction des dimensions de la cavité, qui peuvent varier en fonction de l'arbre, des porosités à coeur peuvent se créer (comme on peut le constater sur certaines pièces plastiques utilisées dans l'industrie automobile et comportant des 25 zones massives). Ces porosités ne posent cependant pas de problème fonctionnel dans l'application des arbres comme arbres de transmission d'une boîte de vitesses. Une solution permettant d'éviter de telles porosités consiste à incorporer un gaz au moment de l'injection de la matière plastique dans la cavité de l'arbre. 30 Cette solution permet également de créer une structure micro alvéolaire (cellules fermées) qui réduit la densité de la matière plastique injectée et donc le poids global de l'arbre. 6 La différence de dilatation entre l'enveloppe métallique de l'arbre (en acier) et le coeur de l'arbre (en plastique) - l'arbre étant dans des conditions opérationnelles û n'est pas en soi gênante et ne peut avoir comme seule conséquence que de laisser l'huile s'infiltrer entre le coeur et l'enveloppe de l'arbre. La présente invention telle que décrite propose donc un arbre de transmission bi-matière métal/plastique avec un gain en poids significatif par rapport à un arbre plein mono matière, en utilisant une matière plastique de type polyamide dont la densité est comprise entre 1010 kg/m3 et 1180 kg/m3. Ainsi, à titre d'exemple, le rapport de densité entre l'acier (7850 kg/m3) et le PA6 io (1100 kg/m3) est de l'ordre de 7. REVENDICATIONS1. Boîte de vitesses, en particulier pour des véhicules automobiles, comprenant au moins deux arbres transmettant un couple, caractérisée en ce que au moins un des arbres est creux (1) et est rempli d'un matériau plastique (17) de densité inférieure à celle du matériau constituant l'arbre (1) ; ledit matériau plastique (17) étant compatible, en termes de tenue thermique et chimique, avec l'huile chaude contenue dans le carter de boîte de vitesses. io 2. Arbre (1) de boîte de vitesses selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'arbre (1) comporte un corps creux (13) en acier définissant une cavité (14) à l'intérieur de l'arbre (1) , cavité (14) qui est remplie par le matériau plastique (17) qui est un matériau thermo-déformable choisi parmi au moins les matériaux du type Polyamide (PA6, PA66, PA46, PA6-66...), du type 15 polyphthalamide PPA (PA6T/66, PA6T/6I, ...) ou du type PBT ; l'épaisseur du corps creux (13) constituant l'enveloppe de l'arbre (1) et la cavité (14) du corps (13) constituant le coeur de l'arbre (1). 3. Arbre (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce le corps 20 creux (13) est formé par deux demi-coquilles (11 et 12) assemblées entre elles et délimitant la cavité intérieure (14) remplie du matériau plastique thermo déformable (17). 4. Arbre (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la 25 cavité (14) s'étend à l'intérieur de l'arbre (1) et débouche à l'une au moins de ses deux extrémités (15 et 16). 5. Procédé de fabrication d'un arbre (1) selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste : 8 - dans une première étape, à fabriquer deux demi-coquilles (11 et 12) qui sont chacune estampées sur une presse à forger à partir d'un lopin en acier forgé ou moulé, puis cisaillée ou sciée à la longueur voulue ; - dans une deuxième étape, à assembler et souder entre elles les deux demi-coquilles (11 et 12) pour définir, une fois assemblées, la cavité (14) d'un corps creux métallique allongé (13) ; l'épaisseur du corps creux (13) constituant l'enveloppe de l'arbre (1) et la cavité (14) du corps (13) constituant le coeur de l'arbre (1) ; et - dans une troisième étape, à remplir le coeur de l'arbre (1), préalablement io chauffé ou non, d'un matériau plastique thermo-déformable (17), compatible en termes de tenue thermique et chimique avec l'huile chaude contenue dans le carter de boîte de vitesses. 6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il 15 consiste dans la troisième étape : - à mettre en place l'arbre (1) dans un moule ; - à injecter le matériau plastique (17) dans la cavité (14) de l'arbre (1); - à refroidir l'arbre (1) si nécessaire ; et - à extraire l'arbre (1) du moule. 20 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste, en outre, à injecter un gaz dans la cavité (14) en même temps que l'injection du matériau plastique (17) dans la cavité (14).