FR2955163A1 - Joint de cardan spherique - Google Patents

Abstract

La présente invention permet de réaliser une jonction mécanique de type cardan entre deux axes tout en transmettant potentiellement un couple supérieur aux possibilités d'un cardan classique. L'invention permet en outre de réaliser de tels joints mécaniques en matière plastique performants. La présente invention se rapporte à un joint mécanique de type 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)

Description

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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 1 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 40 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. 45 5 10 15 20 25 30 35 45 2955163 -2- Liste des figures iointes : Page 1 : Joint de Cardan sphérique avec partie femelle mono bloc 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

Page2 : Joint de Cardan sphérique avec partie femelle mono bloc et partie englobante 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

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 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 1(a partie englobante comprend aussi les moitiés des 2 hémisphères de logement des billes). 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 FIG 24 : joint assemblé, vue en coupe

Page 5 : Joint de Cardan sphérique, la partie englobante fait partie de l'élément femelle et ajout d'une queue d'axe à extrémité creuse hémisphérique. FIG 25 : embout mâle, vue en coupe FIG 26 : embout mâle, vue de face FIG 27 queue d'axe, vue de face FIG 28 : queue d'axe, vue en coupe FIG 29 : embout femelle, vue en coupe FIG 30 : embout femelle, vue de face FIG 31 : joint assemblé, vue en coupe

Page 6 Joint de Cardan sphérique avec partie femelle mono bloc et ajout de pièces à extrémité creuse hémisphérique pour le maintien des billes sur l'élément femelle. FIG 32 embout mâle, vue en coupe FIG 33 : embout mâle, vue de face FIG 34 : pièces de rajout à extrémité creuse hémisphérique, vue en coupe FIG 35 : embout femelle, vue de dessus FIG 36 : embout femelle, vue en coupe FIG 37 : embout femelle, vue de face FIG 38 joint assemblé, vue en coupe 50 5 10 15 20 25 30 35 2955163 -3- Page 7 : Joint de Cardan sphérique avec partie femelle mono bloc et ajout de glissières et de pièces à extrémité creuse hémisphérique pour le maintien des billes sur l'élément femelle. FIG 39 : embout mâle, vue en coupe FIG 40 : embout mâle, vue de face. On distingue les encoches cylindriques FIG 41 : pièces de rajout à extrémité creuse hémisphérique, vue en coupe FIG 42 : pièces de rajout des chemins de roulement, vue en coupe FIG 43 : pièces de rajout des chemins de roulement, vue en coupe FIG 44 : embout femelle, vue de dessus FIG 45 : embout femelle, vue en coupe FIG 46 : embout femelle, vue de face FIG 47 : joint assemblé, vue en coupe

Page 8 : Double Joint de Cardan sphérique avec partie femelle mono bloc FIG 48 : embout mâle, vue en coupe FIG 49 : embout mâle, vue de face FIG 50 : embout femelle, vue en coupe FIG 51 : embout femelle, vue de face FIG 52 : joint assemblé, vue en coupe FIG 53 : joint assemblé avec illustration de l'angle de travail possible, vue en coupe

Page 9 : Double Joint de Cardan sphérique avec partie femelle double à allongement FIG 54 : embout mâle, vue en coupe FIG 55 : embout mâle, vue de face FIG 56 : embout femelle, vue de face FIG 57 : embout femelle avec illustration allongement minimum, vue en coupe FIG 58 : embout femelle avec illustration de l'allongement max, vue en coupe FIG 59 : joint assemblé avec illustration allongement max, vue en coupe FIG 60 : joint assemblé avec illustration allongement minimum, vue en coupe

Page 10 : Double Joint de Cardan sphérique, illustration de quelques variantes possibles FIG 61 : Double joint de Cardan sphérique avec la partie femelle mono bloc assemblé, vue en coupe FIG 62 : 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 63 : Double joint de Cardan sphérique avec la partie femelle mono bloc, partie englobantes ajoutées, joint assemblé, vue en coupe FIG 64 : Double joint de Cardan sphérique avec la partie femelle mono bloc, partie englobantes ajoutées, joint assemblé, vue en coupe

FIG 65 : Double joint de Cardan sphérique avec la partie femelle double à allongement, joint assemblé, vue en coupe 40 45 50 2955163 -4-

Les pièces peuvent être issues d'un usinage ou de moulage ou les deux. 5 Indication de plusieurs modes de réalisation du joint de Cardan Sphérique :

Mode réalisation N°l : 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 1 et 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 . 2955163 -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 5 ont une section rectangulaire et non demi-circulaire.

Mode de réalisation N°2 : Idem ci-dessus avec la partie englobante de l'embout femelle appelée « rondelle de maintien » (fig 14 (10) et fig 17 (3)) est réalisée à part puis est fixée à l'embout femelle lors du montage du joint par visage (fig 17 10 (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 15 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 20 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 25 cette situation, les 2 encoches de l'élément mâle ont une section rectangulaire et non demi-circulaire.

Mode de réalisation N°3 : Idem réalisation N°1 et 2 avec la partie englobante fait partie de l'hémisphère. Addition d'une queue d'axe avec extrémité creuse en 30 forme d'hémisphère (fig 27 et 28 (13)). L'élément femelle (fig 29 et 30 (14)) peut de ce fait être constitué d'une extrémité hémisphérique (partie englobante), puis cylindrique. La partie supplémentaire constituée d'une queue d'axe et d'une extrémité cylindrique (fig 27 et 28 (13)) dont la face pourra avoir plusieurs formes : Hémisphérique creuse 35 de même rayon que l'extrémité sphérique de l'élément mâle ou circulaire avec un logement en son centre pour disposer une bille qui permettra le maintien du joint et le pivotement de l'élément mâle dans l'élément femelle. Montage (fig (31) : maintien des billes dans les logements hémisphérique de l'élément femelle, introduction de l'élément mâle, axe en premier, introduction de la queue 40 d'axe dans l'élément femelle contre l'élément mâle, fixation de la queue d'axe sur l'élément femelle par exemple par vissage : fig 28 (12) et fig 29 (15): trou fileté, fig 31 (16) : vis Mode de réalisation N°4 ; fig 32 à 38: Idem réalisations 1 à 3 avec les deux hémisphères, logements des billes dans le corps de l'élément femelle sont remplacées par des rajouts usinés ou moulés à leur extrémité en forme d'hémisphère (fig 34 (17)) ou de cylindre (selon le profil en travers des nervures sur l'élément mâle).Ces pièces rajoutées peuvent être collés, soudés ou vissés. L'hémisphère est percé aux deux endroits d'introduction de ces pièces. Les billes sont alors emprisonnées dans ces logements hémisphériques. Avantage : facilité pour introduction des billes lors du montage du joint. -6- Mode de réalisation N°5 : Idem réalisations 1 à 4 avec le complexe bille-hémisphère de la partie femelle est remplacé par une partie fixe. L'hémisphère possède deux protubérances axées en forme d'hémisphère du rayon des encoches hémi toriques de l'élément mâle, ou de deux formes cylindriques si la section des encoches est rectangulaire.

La forme cylindrique peut se voir ajouter un deuxième cylindre séparé ou non par un roulement à aiguilles.

Avantage : facilité de fabrication et de montage. Inconvénient : frottement et usure (sauf dans le cas de l'ajout du roulement à aiguilles et du deuxième cylindre.

Mode réalisation N°6 : Idem réalisations 1 à 5 avec la forme creuse hémisphérique est remplacé par une bille emprisonnée dans un logement dans la queue de la partie femelle.

Mode de réalisation N°7 : Idem réalisations 1 à 6 avec la partie femelle comportant les deux hémi toriques creux et la partie mâle les deux évidements hémisphériques. Intérêt : facilité d'étanchéité du joint. Inconvénient : réduction de l'angle utile du joint (sauf si remplacement des billes par des hémisphères ou des cylindres fixes sur l'élément mâle (selon la forme des nervures de glissement de l'élément femelle).

Mode de réalisation N°8 : idem réalisations 1 à 7 avec évidement de la boule. Intérêt : réduction de la masse de l'élément mâle.

Mode réalisation N°9 : Idem réalisations 1 à 4 et 6 à 8 avec l'épaisseur de l'enveloppe de l'embout femelle est inférieur au rayon des billes. Le dessus de l'hémisphère de logement des billes se retrouve donc percé. Intérêt : augmentation de la capacité de résistance du joint par surdimensionnement du rayon des 2 billes tout en limitant la masse de l'élément femelle.

Mode de réalisation N°10 fig 39 à 47: idem réalisations 1 à 9 mais rajout des cavités hémi toriques ou demi cylindrique et de coupoles hémisphérique de logement des billes ou d'élément cylindriques dans une matière différente que l'ensemble des éléments mâle et femelle. Possibilité de réaliser de réaliser ces pièces de rajout par emboutissage, ou par usinage et traitement particulier que sur ces éléments et non sur l'ensemble des 40 pièces du joint.

Mode de réalisation N°11 fig 48 à 53 : Idem réalisations 1 à 10 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 45 assemblé sur l'axe de rotation, on obtient un joint homocinétique tel un double cardan classique. Mode de réalisation N°12 fig 54 à 65 : idem réalisations 11 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 50 l'une sur l'autre par l'intermédiaire de cannelures mâles-femelles.

Claims (1)

1. Revendications1. Revendication N°1 : un joint universel de cardan REVENDICATIONS1. Revendication N°1 : un joint universel de cardan sphérique destiné à transmettre un couple constitué d'un embout mâle de forme sphérique relié à un axe et comportant deux encoches évidées hémi toriques alignées sur son plan vertical moyen, d'un embout femelle relié à un autre axe de forme intérieure hémisphérique ayant sensiblement pour rayon intérieur le rayon extérieur de l'embout mâle, avec deux logements hémisphériques à son zénith et à son nadir et de deux éléments de jonction sphériques, caractérisé en ce que les deux évidements hémi toriques de l'embout mâle ont un rayon de révolution égal à la différence entre le rayon de la boule de l'élément mâle et celui de des billes de jonction et un rayon de section sensiblement égal à celui des billes de jonction, les deux logements hémisphériques de l'élément femelle et les deux éléments de jonction sphérique ont sensiblement le même rayon, l'élément femelle englobe ou non pour partie l'élément mâle et l'hémisphère femelle recouvre plus de la moitié de la boule de manière continue ou non, afin de rendre tout mouvement de translation entre les deux parties mâle et femelle impossible, l'ensemble de ces pièces pouvant être issues d'un usinage, d'un moulage, de procédé d'extrusion, de forge, de traitement thermique ou chimique ou de combinaison de ces procédés. Revendication N°2 Joint de cardan sphérique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie englobante de l'embout femelle est réalisée séparément, constitué d'un seul ou de plusieurs éléments puis est fixée à l'embout femelle lors du montage du joint par visage, collage, soudage ou autre emboitement, la partie femelle peut avoir 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, les cavités hémisphériques pouvant être réalisées, moitié sur la couronne de maintien, l'autre moitié faisant partie de l'élément femelle du joint. Revendication N°3 : Joint de cardan sphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'embout femelle est constitué de deux éléments, la partie arrière hémisphérique de l'embout femelle étant partiellement ou totalement remplacée par l'addition d'une queue d'axe à extrémité creuse en forme d'hémisphère d'un rayon sensiblement égal à la boule de l'élément mâle, ces deux éléments sont fixés entre eux par vissage, collage ou soudage, des cannelures entre ces deux éléments peuvent être rajoutées pour augmenter la rigidité du joint. Revendication N°4 : Joint de cardan sphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux hémisphères, logements des billes dans le corps de l'hémisphère femelle sont remplacées par des rajouts usinés ou moulés à leur extrémité en forme d'hémisphère ou de cylindre selon le profil en travers des nervures sur l'élément mâle, l'hémisphère femelle est percée aux deux endroits d'introduction de ces pièces.50-8- Revendication N°5 : Joint de cardan sphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les complexes billes- hémisphères de la partie femelle sont remplacés par deux protubérances sur l'élément femelle en forme d'hémisphère du rayon des formes creuses hémi toriques de l'élément mâle, ou de forme cylindrique si la section des formes creuses de l'élément mâle est rectangulaire, la forme cylindrique peut se voir ajouter un deuxième cylindre séparé ou non par un roulement à aiguilles. Revendication N°6 : Joint de cardan sphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la forme creuse hémisphérique de l'élément femelle est remplacée par une bille emprisonnée dans un logement dans la queue de la partie femelle. Revendication N°7 : Joint de cardan sphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie femelle comporte les deux hémi toriques creux et la partie mâle les deux évidements hémisphériques. 20 Revendication N°8 : Joint de cardan sphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parties femelles sont jumelées dos à dos, les cavités hémisphériques de logement des billes étant dans un même plan vertical afin de rendre ce joint homocinétique lorsque que son centre est sur le plan bissecteur de rotation. 25 Revendication N°9 : Joint de cardan sphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la boule mâle est évidée partiellement afin de réduire la masse de l'élément mâle. 30 Revendication N°10 : Joint de cardan sphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'enveloppe de l'embout femelle est inférieur au rayon des billes de jonction, le dessus de l'hémisphère de logement des billes se retrouve donc percé. 35 Revendication N°11 : Joint de cardan sphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans le cas du joint double il y ait une possibilité d'allongement entre les deux cavités hémisphériques creuses femelles et en ce que les deux parties dos à dos peuvent s'écarter en coulissant l'une sur l'autre par l'intermédiaire de cannelures mâles-femelles. 40 Revendication N°12 : Joint de cardan sphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cavités hémi toriques ou de section différente de l'élément mâle et les coupoles hémisphériques de logement des billes de l'élément femelle sont réalisées séparément et dans une matière 45 différente ou selon un traitement différent ou non de ceux constituant les éléments mâle et femelle, puis sont rajoutées aux éléments mâles et femelles. 50