Brevet FR3142231A1 — publié le 20240524

L’invention concerne un axe (1) de différentiel constitué d’un substrat présentant au moins un méplat (20) et comprenant une couche de revêtement déposée sur le substrat. Selon l’invention, l’usinage du méplat (20) définit des arêtes (21) bordant une portée (11) du substrat, et les arêtes (21) présentent un arrondi de rayon supérieur ou égal à 0,05mm. Figure pour l’abrégé : Fig. 5 axe de différentiel perfectionné L’invention se rapporte au domaine technique des véhicules automobiles, et en particulier aux axes de différentiel équipant des véhicules. Art antérieur Sur un véhicule, un différentiel permet aux roues d’un même essieu de tourner à des vitesses différentes lors d’un virage. Un différentiel comprend un axe monté pivotant par rapport à des pignons satellites, qui engrènent chacun avec un pignon planétaire solidaire des arbres entraînés de l’essieu. Lorsque le véhicule emprunte un virage, les pignons planétaires tournent à des vitesses différentes, et les pignons satellites tournent librement autour de l’axe du différentiel. Ce dernier est donc soumis à des frottements importants lors de l’utilisation du véhicule. C’est une pièce particulièrement soumise à l’usure. Afin de pallier l’usure de l’axe de différentiel ou du pignon satellite antagoniste, il est connu de ménager sur l’axe des méplats permettant de faire circuler de l’huile jusqu’à l’interface entre l’axe de différentiel et le pignon. Il est également connu de déposer des revêtements antifriction sur la surface externe de l’axe de différentiel. Ces revêtements antifriction sont destinés à réduire l’usure de l’axe et du pignon antagoniste. Il est connu du document WO201511361, au nom du demandeur, le dépôt d’un tel revêtement antifriction. Néanmoins, des revêtements antifriction ne sont pas toujours compatibles avec l’utilisation sur un axe de différentiel, car ils peuvent avoir tendance à s’écailler. Ce phénomène se rencontre particulièrement dans le cas d’axes de différentiels présentant un méplat. Par ailleurs, avec l’émergence de véhicules électriques, les conditions d’utilisation de la mécanique des véhicules évoluent fortement. En effet, le comportement d’un moteur électrique et bien différent de celui d’un moteur thermique : le couple nominal d’un moteur électrique est atteint pour de très bas régimes du moteur. La sollicitation dynamique des pièces est donc accrue, et les axes de différentiel se dégradent plus rapidement. Le but de l’invention est donc de proposer un axe de différentiel perfectionné, palliant les inconvénients de l’art antérieur, et pour lequel la résistance à la dégradation d’une couche de revêtement est améliorée. À cet effet il a été mis au point un axe de différentiel constitué d’un substrat présentant au moins un usinage d’un méplat et comprenant une couche de revêtement déposée sur le substrat. Selon l’invention, l’usinage du méplat définit des arêtes bordant une portée du substrat, et les arêtes présentent un arrondi de rayon supérieur ou égal à 0,05mm, et de préférence inférieur à 5mm. De préférence, l’arrondi est de type tangent. De cette manière, la géométrie de l’axe de différentiel est optimisée afin de ne pas présenter d’arêtes vives, qui favoriseraient l’écaillage du revêtement déposé. La solution proposée est simple et peu coûteuse, car sa mise en œuvre ne nécessite que des moyens connus et éprouvés, et s’affranchit de perfectionnements complexes qui auraient pu être recherchés par exemple concernant la chimie ou la méthode de dépôt du revêtement. Avantageusement et toujours dans un but de réduire les concentrations de contraintes pouvant survenir au niveau des arêtes, le rayon est supérieur à 0,1mm, de préférence à 0,5mm, et encore plus préférentiellement à 1mm ou encore à 1,5mm. Dans un mode, la couche de revêtement comprend du carbone amorphe dit « DLC ». Ce type de revêtement est éprouvé et donne de bons résultats en termes de coefficient de frottement et de résistance à l’usure. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un axe de différentiel comprenant les étapes suivantes : - obtention d’un substrat de forme cylindrique ; - usinage d’un méplat ; - dépôt d’une couche de revêtement sur le substrat. Selon l’invention, le procédé comprend une étape de rayonnage d’une arête définie par l’usinage du méplat, préalablement à l’étape de dépôt. Ce procédé permet d’obtenir un axe de différentiel avec les avantages précités, l’étape de rayonnage fournissant l’arrondi désiré. De manière à favoriser l’adhérence du revêtement déposé sur le substrat, le procédé comprend une première étape de polissage du substrat, préalablement à l’étape de dépôt. Cette méthode confère également une meilleure cohésion aux matériaux constituant le revêtement déposé. Avantageusement, la première étape de polissage consiste à obtenir une rugosité Ra inférieure à 0,1 µm. Afin d’écrêter des pics de rugosité générés lors de l’étape de dépôt, le procédé comprend une seconde étape de polissage de la couche de revêtement, postérieurement à l’étape de dépôt. L’arrachement des pics du revêtement, lors de l’utilisation de l’axe, pourrait générer des particules abrasives accélérant la détérioration de l’axe. Avantageusement, l’étape de rayonnage et/ou la première étape de polissage et/ou la seconde étape de polissage est effectuée au moyen d’une meule de type sans pointes ou d’un bol vibratoire. Ces deux méthodes de polissage sont simples à mettre en œuvre. De manière à pouvoir paramétrer facilement le dépôt de la couche de revêtement, celui-ci est effectué par dépôt physique en phase vapeur, de préférence avec une assistance par plasma. Brève description des figures est une illustration d’un différentiel de véhicules sur lequel sont visibles un axe de différentiel, les pignons satellites et les pignons planétaires. est une illustration d’un axe de différentiel de l’art antérieur, dégradé. est une illustration d’un agrandissement de la zone dégradée de l’axe de la . est une autre illustration de l’agrandissement de la zone dégradée de l’axe de la . est un schéma d’un axe selon l’invention, vu de dessus, et n’ayant pas encore reçu de revêtement antifriction. est un schéma de cet axe, vu de face. est une section de ce même axe, vu de côté. est un agrandissement de la section de la figure sept. est une section analogue à celle de la , montrant un axe selon l’invention et ayant reçu le revêtement antifriction. est une illustration d’un agrandissement de l’interface entre un méplat et une portée d’un axe de différentiel, avant la réalisation de l’arrondi. est une illustration d’un agrandissement de l’interface entre un méplat et une portée d’un axe de différentiel, après la réalisation de l’arrondi par polissage. est une section analogue à celle de la , montrant un axe selon l’invention et présentant en outre un chanfrein entre le méplat et la portée, avant la réalisation de l’arrondi. Description détaillée de l’invention En référence à la , l’invention se rapporte à un axe (1) pour différentiel de véhicules. On constate que l’axe (1) du différentiel, qui porte les deux pignons satellite (S), et soumis à des dégradations fréquentes. La illustre un axe (1) de différentiel de l’art antérieur, sur lequel un méplat (20) est prévu pour mettre en communication une réserve d’huile et une surface de frottement entre la portée (11) cylindrique de l’axe (1) et l’alésage du pignon satellite (S). L’axe (1) est revêtu d’un revêtement (30) antifriction, tel qu’un dépôt de carbone amorphe dit « DLC ». On constate sur cette figure que l’axe (1) est dégradé : le revêtement (30) a été arraché au niveau d’une strie (E). En référence à la et à la , on peut observer des arrachements de matières s’étant produit au niveau de l’arête (21) bordant le méplat (20). Ces observations ont conduit le demandeur à investiguer la nature et le comportement du revêtement (30) au voisinage de l’arête (21). Il semble que l’usinage du méplat (20) définit une arête (21) vive à la jonction avec la portée (11) cylindrique de l’axe (1), et que c’est le fait que l’arête (21) soit vive qui facilite l’écaillage du revêtement (30), et par là, la dégradation rapide de l’axe (1). De plus, les stries générées lors de l’usinage du méplat (20) accentuent ce phénomène. En référence aux figures 5 à 12, l’invention réside principalement en ce que l’arrête (21) vive générée lors de l’usinage du méplat (20) est arrondie. La mesure des stries d’usinage ainsi que des faciès des arrachements de matière fournissent des valeurs comprises entre 50 µm et 100 µm. L’arrondi doit donc être d’au moins 0,05 mm. De cette manière, l’arête (21) ne présente plus d’amorce d’écaillage du substrat (10). En fonction de la rugosité du substrat (10) qui constitue l’axe (1) de différentiel, l’arrondi peut présenter une valeur plus importante, par exemple 0,1 mm, 0,25 mm, 0,3mm, 0,5 mm, voire plus de 1 mm : plus l’arrondi est important, plus il sera en mesure de pallier les défauts locaux correspondant à une rugosité importante. Opter pour un rayon d’arrondi d’au moins 0,1 mm permet d’écarter des dégradations qui pourraient avoir pour origine les stries d’usinage. Opter pour un rayon d’arrondi d’au moins 0,25 mm ou encore 0,3 mm permet de garantir un coefficient de sécurité vis-à-vis de ces dégradations. En pratique, la limite supérieure de la valeur de l’arrondi n’est pas essentielle : il convient seulement de conserver une portion dédiée au cheminement de l’huile entre l’axe (1) et l’alésage du pignon (S). De bons résultats ont été obtenus avec des arrondis de 1,3 mm, ou encore 2,2 mm. Dans le cas d’un arrondi obtenu par polissage, une valeur plus élevée est synonyme d’un polissage plus long : il faut donc faire un compromis entre l’état de surface du substrat (10) après usinage du méplat (20) et le rayon désiré. Il peut s’avérer nécessaire de polir la pièce dans un sens de rotation autour de son axe (a) puis dans le sens de rotation opposé afin de polir de la même façon les deux arêtes, notamment quand le polissage est fait avec des bandes et/ou des meules. Dans le cas d’un arrondi obtenu par usinage en commande numérique (« CNC » selon l’acronyme de contrôle numérique par ordinateur), la difficulté liée à ce compromis est réduite. Il est en outre possible de polir le substrat (10) afin d’adapter son état de surface préalablement au dépôt du revêtement (30). Notamment : - la rugosité arithmétique Ra du substrat (10) peut être inférieure ou égale à 0,1 µm, de préférence inférieure à 0,07 µm, et encore préférentiellement inférieure à 0,04 µm ; - la rugosité maximale Rz peut être inférieure ou égale à 0,1 µm, de préférence inférieure ou égale à 0,08 µm et encore préférentiellement inférieure à 0,04 µm ; - la profondeur réduite des pics Rpk peut être inférieure ou égale à 0,07 µm, ou de préférence inférieure ou égale à 0,05 µm. Les différentes mesures de la rugosité sont indirectement corrélées entre elles dans la mesure où un polissage fait diminuer toutes les valeurs de rugosité, néanmoins les différentes méthode de mesure n’illustrent pas les mêmes caractéristiques de la surface : - La rugosité arithmétique Ra illustre la rugosité moyenne du substrat. Elle n’est pas significativement influencée par les rayures ou la contamination. - La rugosité maximale Rz illustre l’amplitude maximale entre les pics et les vallées de la surface. Elle est très sensible aux rayures, mais également à la contamination en raison de sa dépendance aux valeurs de crête. - La profondeur réduite des pics Rpk illustre la présence de pics locaux, susceptibles d’être arrachés lors d’une phase initiale de l’utilisation de l’axe (1), ce qui constituerait des particules abrasives au niveau de l’interface. C’est une valeur adaptée à l’évaluation du frottement et de l’abrasion. Réaliser l’arrondi par polissage permet donc d’obtenir en une seule étape : - une rugosité du substrat (10) adaptée pour que le dépôt adhère correctement sur le substrat (10) ; et - un arrondi de l’arête (21) suffisant pour éviter les phénomènes d’écaillage ou d’arrachement de matière. En référence plus particulière à la , l’arête (21) définie par le méplat (20) comprend deux portions rectilignes (21a) parallèles à l’axe de révolution (a) de l’axe (1) différentiel, et deux portions elliptiques (21b). L’arrondi doit être présent au niveau de l’interface avec les alésages des pignons (S) : en général il s’agit des portions rectilignes (21a), aussi l’arrondi est de préférence présent au moins sur les portions rectilignes (21a). La illustre une telle arête (21a), longitudinale, avant la réalisation de l’arrondi. En référence à la , l’usinage du méplat (20) peut présenter un chanfrein, d’angle (b). Il est entendu que la partie de l’axe (1) où sont générées les dégradations en utilisation est l’interface avec l’alésage du pignon (S) : dans tous les cas, l’arête (21a) est la ligne d’intersection de l’usinage (méplat (20) ou chanfrein) et de la portée (11) de l’axe (1). En pratique, des moyens de polissage tels qu’une meule de type sans pointe (« centerless » en anglais) ou encore un bol vibratoire, vont polir tout le pourtour de l’arête (21) et ainsi fournir l’arrondi désiré sur tout le pourtour de l’arête (21). Les meules « centerless » présentent en effet une certaine souplesse, qui leur permet d’épouser tout le pourtour de l’arête (21) lors du polissage. Il en est de même pour les polissages effectués avec des bandes abrasives. En référence à la , l’arête (21a) arrondie permet d’obtenir une transition progressive depuis la portée (11) en direction du méplat (20). Ainsi, les concentrations de contraintes sont évitées au sein du matériau du revêtement. On évite également un effet d’usinage de l’alésage du pignon (S) par l’arête (21a). La limite de l’interface (li) entre l’axe (1) et l’alésage du pignon (S) se trouve au niveau de la tangence entre l’arrondi de l’arête (21a) et de la portée (11). On peut également voir sur cette figure que des stries d’usinage, présentes sur le méplat (20), sont désormais en retrait de la limite de l’interface (li) : il ne risque plus d’y avoir de phénomène d’arrachement ou d’écaillage dus à la géométrie ou à la rugosité des stries. La illustre une section d’un substrat (10) d’un axe (1), préalablement à l’étape de dépôt. On peut y voir l’arrondi selon l’invention. Sur cette figure, l’arrondi est de type tangent afin de réduire au maximum les amorces de rupture. Le rayon de l’arrondi peut être mesuré par profilométrie, en reconstruisant un cercle (22) passant par les points mesurés de l’arrondi. La illustre un axe (1) selon l’invention. La couche de revêtement (30) est déposée sur le substrat (10), de préférence au moyen d’une technique de dépôt sous vide en phase vapeur, éventuellement avec une assistance par plasma. Cette méthode permet d’ajuster facilement la chimie du matériau déposé par la sélection d’une cible adaptée et/ou de gaz précurseurs adéquats, et l’ajustement des paramètres de dépôt et d’assistance permettent de modifier la nature de la couche déposée. La couche de revêtement (30) comprend de préférence du carbone amorphe dit « DLC », mais d’autres revêtements peuvent être envisagés, tel qu’un dépôt de Nickel par électrolyse. Néanmoins, le DLC présente l’avantage de mieux résister à l’usure que d’autres revêtements. La couche de revêtement (30) mesure généralement quelques micromètres d’épaisseur, typiquement entre 0,5 µm et 5 µm. Ainsi, même sur un axe (1) fini, il est possible de d’estimer avec une précision suffisante l’arrondi que présentait le substrat (10) avant l’étape de revêtement, lorsqu’on mesure le rayon de l’arête (21) par profilométrie. L’axe (1) et son procédé de fabrication peuvent conformés différemment des exemples donnés sans sortir du cadre de l’invention, qui est défini par les revendications. L’arrondi peut être de valeur différente sur différentes portions de l’arête (21) de l’axe. Par exemple, une arête longitudinale (21a) du côté gauche du méplat (20) peut présenter un arrondi de 1,9mm, alors que l’arête longitudinale (21a) du côté droit du même méplat (20) peut présenter un arrondi de 1,5mm. En outre, les caractéristiques techniques des différents modes de réalisation et variantes mentionnés ci-dessus peuvent être, en totalité ou pour certaines d’entre elles, combinées entre elles. Ainsi, l’axe (1) et son procédé de fabrication peuvent être adaptés en termes de coût, de fonctionnalités et de performance. Axe (1) de différentiel constitué d’un substrat (10) présentant au moins un usinage d’un méplat (20) et comprenant une couche de revêtement (30) déposée sur le substrat (10), caractérisé en ce que l’usinage du méplat (20) définit des arêtes (21) bordant une portée (11) du substrat (10), et les arêtes (21) présentent un arrondi de rayon supérieur ou égal à 0,05mm, et de préférence inférieur à 5mm. Axe (1) de différentiel selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rayon est supérieur à 0,1mm, de préférence à 0,25mm, et encore plus préférentiellement à 1mm. Axe (1) de différentiel selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de revêtement (30) comprend du carbone amorphe dit « DLC ». Procédé de fabrication d’un axe (1) de différentiel comprenant les étapes suivantes : - obtention d’un substrat (10) de forme cylindrique ; - usinage d’un méplat (20) ; - dépôt d’une couche de revêtement (30) sur le substrat (10) ; caractérisé en ce qu ’il comprend une étape de rayonnage d’une arête (21) définie par l’usinage du méplat (20), préalablement à l’étape de dépôt. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le rayonnage consiste à obtenir un arrondi de rayon supérieur à 0,05mm. Procédé selon revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu ’ il comprend une première étape de polissage du substrat (10), préalablement à l’étape de dépôt. Procédé selon revendication 6, caractérisé en ce que la première étape de polissage consiste à obtenir une rugosité Ra inférieure à 0,1 µm. Procédé l’une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu ’ il comprend une seconde étape de polissage de la couche de revêtement (30), postérieurement à l’étape de dépôt. Procédé selon l’une des revendications 4, 6 ou 8, caractérisé en ce que l’étape de rayonnage et/ou la première étape de polissage et/ou la seconde étape de polissage est effectuée au moyen d’une meule de type sans pointes ou d’un bol vibratoire. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dépôt de la couche de revêtement (30) est effectuée par dépôt physique par phase vapeur, de préférence avec une assistance par plasma.