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Les réalisations techniques ressortissant à la mécanique nécessitent fréquemment des liaisons entre pièces rigides auto- risant, suivant un ou plusieurs degrés de liberté, des déplacement:: relatifs de ces pièces. On sait réaliser au moyen de pièces méca- niques usinées, faisant intervenir le frottement entre surfaces graissées ou le roulement d'organes intermédiaires, des liaisons à nombre limité de degrés de liberté. L'obtention de plusieurs degrés de liberté à la fois nécessite des ensembles parfois très complexes. Ces réalisations, à l'aide de pièces mécaniques,sont néanmoins considérées comme indispensables lorsque les efforts
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mis en jeu sont importants--et quune grande précision est exigée dans les déplacements relatifs des pièces.
Cependant, on a déjà proposé, en cas d'efforts relativement faibles et aussi lorsque la précision des déplacements n'est pas requise, d'obtenir des liaisons permettant des déplacements limités par interposition entre les pièces rigides de masses de gomme du type caoutchouc. Ces gommes, travaillant par distorsion, permet- tent des déplacements relatifs avec de faibles frottements et pro- curent en outre l'avantage d'un rappel élastique des pièces après déplacement, vers leur position d'origine. Les liaisons ainsi réa- lisées ont en outre l'avantage, sans aucun entretien, d'être à l'a- bri des grippages auxquels sont sujettes des liaisons réalisées avec des organes mécaniques.
Le but de la présente invention est la réalisation de liai- sons entrepièces rigides permettant à ces pièces des déplacements relatifs limités avec au moins.un,degré de liberté et mettant en oeuvre des gommes déformables par distorsion, mais contrairement aux liaisons par gomme élastique connues ces liaisons peuvent être soumises à des efforts pratiquement illimités et permettent d'assurer une précision de déplacement relatif entre pièces aussi grande que l'on désire.
Il devient ainsi possible d'appliquer de telles liaisons dans les techniques mettant en jeu des efforts énormes comme c'est le cas dans les travaux publics ou bien en'mécanique de hau- te précision où les tolérances dimensionnelles sont très réduites.
Néanmoins l'invention permet ces résultats avec des prix de-re- vient/très économiques tant pour les matières premières utilisées que pour les frais de main d'oeuvre et d'usinage.
Selon l'invention, entre les surfaces sensiblement parallè- les appartenant à deuxpièces rigides entre lesquelles on désire établir une liaison, est interposé un bloc formé de plaques de gomme entre lesquelles sont intercalées des feuilles inextensibles
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dont les faces, sensiblement parallèles aux surfaces des pièces rigides, possèdent un fort coeffecient de frottement au contact desdites plaques.
Le fort coefficient de frottement peut être obtenu par col lage entre les feuilles inextensibles et les plaques de caoutchouc ou, de préférence, en utilisant des feuilles inextensiblesà forte rugosité superficielle telles que des tôles perforées gaufrées ou ondulées ou encore des grillages.
De préférence le bloc formé par l'assemblage des plaques de caoutchouc et des feuilles inextensibles' alternées est comprimé dans la direction perpendiculaire aux surfaces de feuilletage, soit par une compression préalable, soit par les charges appliquées aux pièces rigides y compris le poids propre de ces pièces.
On montrera dans la suite du mémoire que la déformation que peut subir un tel bloc sous cette compression dépend dans une faible mesure du module-d'élasticité de la gomme, qu'il est possi- ble d'admettre sur un tel bloc des charges unitaires sans aucune mesure avec les limités d'écrasement propre à la gomme, mais que néanmoins un tel bloc permet essentiellement, dans des direc- tions tangentielles au feuilletage, des déplacements des deux .pièces rigides par distorsion de la gomme qui les sépare dans les mêmes conditions que si cette gomme n'était pas feuilletée.
Les déplacements autorisés par un tel bloc feuilleté, in- terposé entre surfaces parallèles, correspondent essentiellement à la possibilité pour deux surfaces parallèles de glisser l'une contre l'autre en restant en contact sur toute leur étendue.
Géométriquement les surfaces qui satisfont parfaitement à cette condition sont le plan, les surfaces de révolution (y compris la sphère) et les surfaces hélicoïdales. Néanmoins, étant donné que les déplacements sont limités, d'autres surfaces de définition géométrique plus complexe peuvent être choisies pour les surfaces
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des pièces rigides, si l'approximation de parallélisme corres- pondant au déplacement maximum envisagéreste acceptable.
Avec les surfaces qui satisfont rigoureusement à la condi- 'tion de parllélisme pendant le déplacement relatif, il est possi- bles ,ble d'obtenir/déplacements suivants : - deux surfaces planes parallèles autorisent des transla- tions dans toutes les directions de leur plan et aussi des rota- tions autour d'un axe quelconque perpendiculaire à ce.plan; - deux surfaces de révolution parallèles-permettent une rotation autour de leur axe commun et éventuellement-une transla- tion le long de cet axe si ces surfaces sont des cylindres ou portions de cylindre; dans le cas de deux sphères l'axe de rota- tion relatif est quelconque pourvu qu'il passe par le centre commun à ces sphères - deux surfaces hélicoïdales permettent un déplacement .et en hélice, c'est-à-dire, la combinaison d'une translation/d'une rotation.
Il a été supposé implicitement dons ce qui précède que la distribution des contraintes dans le bloc feuilleté restait la même au cours du déplacement et que par conséquent ce bloc ne se déforme que par distorsion de la gomme. On peut cependant aussi dans le déplacement faire varier la répartition des con- traintes dans le bloc'feuilleté et faire travailler ce bloc égale- ment par déformation élastique ce qui procure des degrés de li- berté supplémentaires.
Ainsi un bloc en forme de prisme droit, feuilleté paral- lèlement à ses bases, peut autoriser non seulement des transla- tions parallèles à ces bases ou des rotations perpendiculaires à celles-ci mais, aussi, des rotations dont une composante axiale est parallèle au plan des bases, rotation qui amène en angle dièdre les plans desdites bases. On peut faciliter les déplacemerts de ce genre en donnant à un tel bloc prismatique une section
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rectangulaire allongée dans la directin de l'axe de rotation prévu.
Une des applications principales de l'invention est la réalisation de coussinets d'appui des ouvrages d'art sur leurs supports afin de permettre des déplacements de ces ouvrages soit pour des causes internes (dilatations), soit pour des causes ex- ternes (ouvrages mobiles, tels que ponts levants ou tournants, vannes de barrages etc...).
Pour de tels ouvrages, l'invention permet de substituer à des pièces métalliques très lourdes, d'usinage et d'entretien dé- licat, des organes faciles à mettre en place, qui ne requièrent pas, à l'exécution et à la pose, uneéxtrême précision et qui fonc- tionnent avès sécurité même en l'absence d'entretien. En outre, l'invention permet la réalisation de joints mécaniques de grande précision dans les machines et appareils, spécialement dans le do- maine de la machine-outil et des véhicules, chaque fois que des déplacements relatifs d'amplitude limitée sont nécessaires.
La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant, bien entendu, partie de la- dite invention. la figure 1 est une figure schématique permettant de com- prendre le principe de l'invention; la figure 2 est une élévation schématique d'un dispositif de liaison conforme à l'invention; la figure 2a montre ce même dispositif après distorsion ; les figures3 et 4 illustrent deux exemples de réalisation de dispositifs selon l'invention;
les figures 5 et 6 montrent en coupe schématique des dispo- sitifs permettant des translations rectilignes les figures %et 7b montrent avant et après déformation un dispositif permettant une rotation d'axe parallèle au plan du,
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feuiletage; les figures 8 et 9 montrent en élévation deux ouvrages d'art auxquels sont appliqués des dispositifs selon l'invention; la figure 10 est une vue en coupe axiab d'un dispositif- sclon l'ivention formant crapaudine ; les figures 11 et 12 montrent respectivement en élévation et en plan un dispositif selon l'invention permettant un mouvement hélicoïdal; la figure 13 est l'élévation d'un palier permettant une rotation limitée d'axe parfaitement déterminé.
On sait que certains corps tels que les caoutchoucs natu- rels et artificiels ainsi que de nombreuses résines synthétiques ou matières plastiques peuvent être déformés à volume pratiquement constant soit par allongement ou raccourcissement, soit par dis- torsion et que ces corps ont, pour de telles déformations, la propriété de se comporter sensib-lement cornue des liquides au point de vue de la transmission des pressions. De tels corps ont en outre la faculté d'adhérer à certaines surfaces telles que l'acier ou le béton,autrement dit de créer par leur contact avec de telles surfaces un très fort coeffecient de frottement qu'il est possible d'accroître par collage ou par augmentation de la rugosité des surfaces de contact.
Considérons donc un bloc parallélépipédique 1 (figure 1) d'une telle matière, disposé (pour simplifier les raisonnements) entre deux surfaces planes et parallèles 2¯ et 3 puis comprimé entre ces surfaces par une certaine force F qui amène la surface 2 en 2a et donne au bloc 1 la forme la. En appelant S la surface du bloc, h, son écrasement et E le module de raccourcissement de la matière, le rapport F/h n'est nullement égal au produit SE.
En effet, la matière du bloc étant pratiquement incompressible, la déformation de ce bloc n'est possible que par un déplacement ¯interne de la matière qui tend à faire glisser ledit bloc au contact des surfaces 2a et 2. et, en raison des frottements, incur-
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ve les faces latérales de ce bloc. Ainsi un filet de matière ini- telaement rectiligne a, b.c glisse légèremnt (d'autant moins que l'adhérence est plus forte) par ses extrémités au contact des surfaces 2a et 3 et s'incurve en s'allongeant pour prendre la for- me a', b', c' développant ainsi sur la masse du bloc une pression élémentaire centripète qui dépend du frottement, qui est propor- tionnelle à son allongement et inversement proportionnelle à son rayon de courbure.
Il naît ainsi dans la masse du bloc un champ de pressions centripètes qui donne une pression résultante ± laqual -le croit de zéro à la périphérie à une.valeur maximum au centre ; les frottements en a et c fonction de cette pression croissent également avec celle-ci et atteignent au'centre des faces du bloc leur valeur maxima.
La résistance à l'aplatissement est donc, non pas SE, mais SE + # pds et si la plus petite dimension en plan du bloc est beaucoup plus grande --que son épaisseur le second terme est beaucoup plus important que le premier d'autant plus que le coef- ficient de frottement' de la gomme sur la surface des pièces rigi- des 2 et 3 est plus fort.
Si l'on suppose divisée par deux l'épaisseur du bloc 1 on voit, en supposant les mêmes valeurs du frottement, que la pression p se trouve doublée puisque le rayon de courbure des fi lets de gomme se trouve divisé par deux. De plus, la valeur de ± c'est-à-dire du frottement 2 / , qui de ce fait était atteinte à une certaine distance de la périphérie est maintenant attein- te à une distance de cette même périphérie. Les pressions dans la zone centrale prendront donc des valeurs beaucoup plus grandes et .. pds sera beaucoup plus que doublé.
Si on considère donc, au lieu. du bloc homogène de gomme 1, un bloc formé de deux plaques d'épaisseur moitié séparées par une feuille de matière inextensible à fort coefficient de frottement au contact de ces plaques, l'introduction de cette feuille aura pour effet de multiplier au moins par quatre la résistance à la
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déformation de ce bloc composite par rapport au bloc homogène.
La division du bloc par neuf feuilles intermédiaires.en dix plaques de gomme égales multipliera de même cette résistance par un chiffre supérieur à 100.
Cette résistance sans rapport aucun avec la résistance in- trinsèque de la gomme à l'écrasement peut donc croître sans autres limites que la résistance aux efforts d'expansion des feuilles in termédiaires et l'abaissement du coefficient de frottement avec .la pression, abaissement qui n'est pratiquement obtenu que sous des pressions unitaires extrêmement élevées.
On peut ainsi réaliser un bloc tel que celui montré sché- matiquement par la figure 2 comprenant des plaques de gomme minces 6 séparées par des feuilles inextensibles 5 ayant un fort coef- ficient de frottement au contact de ces plaques.
Si comme le montre la figure 2a, on provoque un déplace- ment relatif des pièces 2 et dans une direction parallèle au feuilletage, ce déplacement se produit par distorsion dans toute l'étendue des plaques 6 s'il y a effectivement adhérence entre les plaques et les feuilles.
La force qui s'oppose à ce déplacement est toujours SE.d e en appelant e l'épaisseur totale et d l'amplitude du déplacement.
Il est indifférent en effet que l'épaisseur totale e soit en une ou plusieurs plaques puisque la division en plaques modifie éga- le lement d et e. De plus, dans/cas d'un bloc homogène la valeur de l'effort nécessaire au déplacement est majorée par la présence dans le bloc d'une zone marginale dans laquelle la distorsion de la gomme est irrégulière tandis que la division du bloc en pla- ques divise en même temps par un même facteur la largeur de cette zone mar ginale .
Afin d'obtenir un fort coefficient de frottement des pla- ques de gomme au contact des feuilles inextensibles, on pourrait utiliser des feuilles inextensibles lisses et coller à la surface
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de celles-ci lesdites plaques de gomme. Dans ce cas, cependant la sécurité en service dépendrait dans une grande mesure de la qua- lité et de l'uniformité du collage et cette sécurité pourrait dis- paraître sous l'effet du décollement.
Il est par conséquent préférable, pour assurer une liaison à fort coefficient de frottement entre les plaques et les feuilles, de munir celles-ci de rugosités susceptibles de s'accrocher dans la surface de la gomme.
A cette fin, comme le montre la figure 3, les 'feuilles in- extensibles peuvent être des grillages métalliques formés par exemple de fils tissés ou de métal déployé. Dans le cas de fils, il peut y avoir intérêt à utiliser des grillages à mailles nouées ou soudées pour éviter les -glissements des fils au contact les uns des autres.
On peut aussi, comme le montre la figure 4 utiliser des feuilles inextensibles 8 formées de tôles plissées ou gaufrées ou encore-des tôles perforées par de nombreuses ouvertures de forme quelconque.
Toutefois, alors que l'utilisation de feuilles lisses col- lées aux plaques de gomme permet, au moins théoriquement, de réduire autant qu'on le désire l'épaisseur de ces plaques de gomme, l'utilisation de feuilles comportant des rugosités limite la r.é- duction d'épaisseurs des plaques de gomme. Il est nécessaire, en effet, que cette épaisseur soit telle qu'elle remplisse l'inter- valle entre les feuilles même lorsque deux des creux les plus pro- fonds de ces feuilles sont en regard l'un de l'autre. Il convient donc que l'épaisseur des plaques de gomme soit au moins égale au double de la hauteur des reliefs des feuilles. Pour fixer les i- dées,avec des feuilles comportant des reliefs de l'ordre de 3 mm l'épaisseur desplaques de gomme devra être d'au moins 6 mm.
L'exemple de réalisation suivant fera bien comprendre les avantages économiques de l'invention. Considérons sur la figure 8, le pont 2, reposant sur les culées 10 et sur la pile intermédiaire
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par des blocs feuilletés 12 réalisés- conformément à l'invention et destinés à permettre la libre dilatation du tablier du pont sur ses appuis. Supposons pour fixer les idées que la charge ap- pliquée à l'un des blocs feuilletés de culée soit de 100 tonnes.
Si on accepte un taux de contrainte (considéré comme normal pour du caoutchouc) de 10 kg/cm il faudrait, si le bloc 12 était massif, donner à la surface de base de ce bloc 10. 000 cm2 soit un mètre carré. Si l'on admet en outre que le caoutchouc utilisé à un coefficient de distorsion tel que l'effort pourobtenir un déplacement horizontal égal à son épaisseur- soit aussi de 10 kg par cm2 et si l'on impose une limite à l'effort nécessaire pour réaliser un déplacement déterminé, par exemple une tonne par cm de déplacement, ce bloc devrait avoir une épaisseur de 10 cm.
Un tel appui serait en principe satisfaisant mais il serait d'un prix et d'un encombrement prohibitif.
Par contre, si l'on substitue à ce bloc de caoutchouc mas- sif de'100 cm3 de volume (soit environ 130 kg) trois plaques de
0,40x 0,40 m x 0,006m séparées paar des plaques adhérentes et inextensibles, la section horizontale de caoutchouc à déformer le sera, réduite dans le rapport de 1 à 0,16 comme/rapport des épais- seurs de caoutchouc à déformer est alors de 10 cm à 1,8 en la résistance aux déformations par distorsion dans le sens horizontal sera modifiée dans le rapport 0,16 x10 c'est-à-dire ou'il sera
1,8 sensiblement le même que précédèrent.
Néannoins la résistance aux déformations verticales est considérablement accrue et surtout le poids de caoutchouc utilisé passe de 130 kg à 3 kg 700 La va- leur et le poids des deux tôles intercalaires est infime car l'ef fort de traction auquel ces tôles sont soumises pst de l'ordre de
500 kg.
Un tel dispositif constitué par un feuilletage plan disposé entre surfaces planes parallèles permet des déplacements parallè- les aux plans de feuilletage-dans toutes les directions, le coef- ficient de distorsion, c'est-à-dire le rapport de la réaction de
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déplacement à l'amplitude de ce déplacement pour une surface donnée de plaque, dimin-uant au fur et à mesure que l'épaisseur totale des plaques utilisées augmente.
'Mais on peut obtenir des coefficients de distorsion très différentsdans chacune des deux directions perpendiculaires au plan de feuilletage en utilisant des surfaces d'appui et des feuil- les ires non planes.
Ainsi sur la figure 51 les surfaces d'appui 2 et sont en forme de cylindres et entre ces surfaces les plaques de gomme 6 et les feuilles 2. sont également en forme de cylindre parallèles ces surfaces 2 et 3 Sur la figure 6, les surfaces 2 et 3 sont cannelées dans la direction perpendiculaire à cette figure et les plaques 6 et feuilles 2. sont également cannelées.
De tels blocs feuilletés permettent évidemment des transla- tions relatives des surfaces 2 et 3 dans la direction perpendicu- laire à ces figures mais s'opposent pratiquement aux translations dirigées dans le plan de ces figures. La raideur transversale de telles liaisons peut être augmentée en tant que de besoin en ac- croissant la hauteur des cannelures et nervures correspondantes et inversement. Il est ainsi possible de régler le coefficient de distorsion transversale à toute valeur désirée jusqu'à la rigidité pratiquement complète.
Des dispositifs de liaison élastiques tels que montrés sur les figures 5 et 6 peuvent par exemple trouver leur application dans des réalisations du genre de celui'qui est montré sur la fi- gure 3. On peut désirer par exemple supprimer les réactions trans- versales au droit de la pile intermédiaire 11 grâce à des réac- tions transversales fournies par lesculées 10 et à la raideur du tablier 9 A cette fin, les dispositifs12 d'appui sur les culées 10 peuvent être réalisés comme montré sur les figures 5 et 6, les nervures étant/orientées dans la direction longitudinale du pont.
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On peut aussi avoir besoin d'ajouter aux libertés de défor- mation longitudinales et transversales une certaine liberté,de déformation angulaire autour d'un axe parallèle au plan déterminé par ces directions de déf ormation. Pour cela comme le montre la figure 7 on peut utiliser des blocs feuilletés de faible largeur dont la longueur L est augmentée de façon à conserver au bloc la surface totale nécessaire. Un tel bloc peut ainsi se déformer non seulement comme il a été précédemment indiqué par des transla- tions relatives de ses faces, parallèlement à leur plan, mais aussi comme montré par la figure 7b par pivotement autour d'un axe paral- lèle à la plus grande dimension de ce bloc.
Une rotation-systématique autour d'un axe est de préféren- ce obtenue en utilisant des surfaces d'appui et un feuilletage de révolution autour de l'axe de rotation désiré.
Ainsi le pont 13 montré sur la figure 9 peut reposer par la surface cylindrique convexe 16 sur la surface cylindrique concave 18 de l'appui 15 par l'intermédiaire ('un bloc feuilleté 17 en forme de portion de cylindre analogue à :elui que montre la figure 5 mais qui, cette fois, est utilisé à des fins différentes.
Un tel pont peut basculer sous l'action de forces extérieu= res autour de l'axe commun des surfaces de révolution 16 17 et 18. Cependant si l'on suppose que ces surfaces sont des portions de calottes sphériques ce pont peut nonéeulement basculer mais aussi tourner autour de l'axe vertical passant par le centre com- mun à ces différentes sphères et plus généralement effectuer une rotation autour d'un axe quelconque passant par ce centre commun.
Dans ce cas, on peut accepter des valeurs très élevées pour les distorsions et par exemple obtenir des rotations de 45 environ avec des épaisseurs totales de caoutchouc de l'ordre du tiers du rayon de la surface concave d'appui.
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Le pivot et le mécanisme de basculement d'un tel pont peuvent être exécutés entièrement en béton modelé au gabarit, sans aucune partie métallique usinée, étant donné la valeur rela- tivement faible des contraintes locales de pression: Bien entende) le centre de gravité de la masse pivotante peut être placé à la volonté du constructeur au-dessus, au-dessous ou bien au niveau du centre ou de l'axe de rotation' la figure 10 concerne le cas où l'on désire seulement une possibilité de rotation d'axe vertical. La pièce rigide 2 comporte une calotte sphérique convexe 19 et une surface tronconique de ré volution 21; la pièce. 3. comporte une calotte, sphérique concave 2 0 et une surface tronconique 22 parallèle à la surface 21.
Entre les surfaces d'appui sont disposés les blocs feuilletés 23 et 24 le premier eri forme de calotte sphérique le second en forme de tronc de cône L'épaisseur du second est d'ailleurs plus forte que celle du premier. Bien entendu l'orientation des calottes et des troncs de cônes peut être inversée entre les pièces 2 et 3
Comme le montrent les figures 11 et 12, les pièces 2 et et le bloc feuilleté qui les sépare peuvent aussi être organisés pour permettre un déplacement hélicoïdal relatif de ces pièces .(sur les figures 11 et 12 pour la clarté la pièce 2 est sup- posée transparente).
Ces deux pièces de formes cylindriques comportent deux surfaces hélicoïdales d'appui 25 et 26 identiques ayant un dé- veloppement d'un tour environ mais qui sont décalées l'une par rapport à l'autre de l'angle
Entre ces deux hélicoïdes 25 et 26 est disposé le bloc feuilleté hélicoïdal formé de plaques et de feuilles hélicoïdales parallèles aux surfaces 25 et 26 Le'développement total de ce bloc est égal à un tour diminué de l'angle , son épaisseur est telle que par distorsion du caoutchouc les surfaces hélicoïdales qui le limitent,peuvent glisser l'une par rapport à l'autre
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de l'angle [alpha] tant dans un sens que dans l'autre.
Les deux pièces 2 et 3 peuvent ainsi se déplacer l'une par rapport à l'autre d'un mouvement hélicoïdal relatif d'amplitude 2 [alpha] Une tige centrale de guidage 28 (qui peut être solidaire de l'une ou de l'autre pièce) empêche les déplacements latéraux relatifs. Un tel dispo- sitif peut être appliqué à une presse à balancier.
Enfin la figure 13 montre un palier permettant.le guidage en rotation et éventuellement en translation d'amplitude limitées d'un axe 29 Cet axe est entouré d'un manchon 30 formé de minces couches de gomme séparées par des feuilles inextensibles. La feuil- le inextensible peut être une-bande de métal enduite d'un côté d'une couche de gomme qui est roulée très serrée autour de l'axe 29 Le manchon ainsi obtenu formant coussinet est fortement serré dans un palier 31. On peut obtenir ainsi un guidage pratiquement sans jeu latéral de l'axe 29 dans son palier pour des amplitudes de rotation et de translation longitudinales importantes puisque celles-ci sont déterminées essentiellement par l'épaisseur totale de gomme utilisée.
Il va de soi que des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, notamment par substitution de moyens techniques équivalents, sans que l'on sorte pour cela du cadre de la présente invention.