FR2973852A1 - Accouplement mecanique souple permettant de transmettre un couple entre deux arbres non colineaires - Google Patents

Abstract

L'accouplement de l'invention est composé d'au moins une articulation à deux pièces métalliques (10, 20) solidaires respectivement d'un arbre primaire (1) et d'un arbre secondaire (2). Les deux pièces métalliques (10, 20) sont liées entre elles par des blocs (30) de matière élastique lamellaires formés chacun d'une alternance de couches de matière élastique (30A) et de couches (30B) d'un matériau sensiblement plat de raideur supérieure à celle du matériau élastique. Les lamelles des blocs (30) lamellaires sont orientées sensiblement radialement de manière à avoir une raideur en torsion relativement grande tout en gardant une grande souplesse axiale et conique. Véhicules automobiles. Joints de transmission mécaniques des véhicules automobiles.

Description

ACCOUPLEMENT MECANIQUE SOUPLE PERMETTANT DE TRANSMETTRE UN COUPLE ENTRE DEUX ARBRES NON COLINEAIRES.

La présente invention concerne un accouplement mécanique souple, qui permet de transmettre un couple entre deux arbres non colinéaires avec une vitesse identique. Elle concerne un tel accouplement mécanique souple adapté pour constituer un joint de transmission automobile. Un accouplement mécanique - ou joint de transmission mécanique - est un système mécanique composé de plusieurs pièces mobiles les unes par rapport aux autres, ou déformables, qui permet l'entraînement mutuel de deux pièces tournantes, de deux arbres par exemple, dont les axes de rotation occupent des positions relatives variables pendant le fonctionnement. Les arbres reliés par l'accouplement mécanique peuvent être concourants et former entre eux un angle variable. Ils peuvent ne pas être alignés, mais rester sensiblement parallèles. Ils peuvent enfin être ni concourants, ni parallèles. De nombreux accouplements mécaniques sont connus et utilisés, tels que, à titre d'exemples, les joints de cardan simples ou doubles, les joints « tripodes », les joints homocinétiques à billes, les joints « Thompson », les joints TORVEC ® à engrenage sphérique, etc. On connaît également divers types d'accouplements métalliques souples, tels les accouplements à soufflets ou à ressorts, les accouplements à chaînes, etc. On connaît aussi les joints homocinétiques dits « joints Rzeppa » utilisés principalement dans les véhicules automobiles, en complément de joints tripodes, qui sont à rotule dentée et à billes pour une transmission du mouvement exclusivement par roulement. Enfin, à titre d'exemple également d'organe mécanique souple, on connaît, selon le document US 4 575 358, un palier en élastomère comprenant une cage interne, une cage externe et une alternance de couches d'élastomère et d'armatures de séparation interposées entre les cages. Ce palier est sensiblement sphérique. Il peut tourner autour d'un axe longitudinal. Il comprend deux extrémités axiales, et il est tronqué à l'une desdites extrémités axiales pour permettre la fixation d'un organe rotatif à la cage interne. Les couches d'élastomère ont une section droite transversale non circulaire dans un plan normal à l'axe, ce qui donne lieu à la formation de lobes axiaux. Ces solutions d'accouplement connues de l'art antérieur présentent des défauts. Ainsi, les accouplements métalliques cités précédemment ne sont pas homocinétiques (joints de cardant), génèrent des vibrations ou encore sont relativement lourds et chers (joints tripodes, joints « Rzeppa » particulièrement). Quant aux organes souples, accouplements ou paliers, en particulier celui donné en exemple et décrit dans le document US 4 575 358, ils sont destinés à accommoder des désalignements faibles entre les arbres reliés et leur raideur de torsion peut s'avérer insuffisante dans de nombreuses applications.

Le but de la présente invention est de fournir un accouplement mécanique souple pour la transmission d'un couple entre deux arbres non colinéaires, qui surmonte les problèmes et les défauts des accouplements et des joints de transmission mécaniques souples connus de l'art antérieur.

Un autre but de la présente invention est de fournir un tel accouplement mécanique souple, qui soit de conception, de réalisation et de montage simples, qui soit peu encombrant, léger, robuste, fiable et économique. Pour parvenir à ces buts, la présente invention a pour objet un accouplement mécanique souple permettant de transmettre un couple entre un arbre primaire et un arbre secondaire, et cet accouplement nouveau est composé d'au moins une articulation à deux pièces métalliques solidaires respectivement de l'arbre primaire et de l'arbre secondaire.

Les deux pièces métalliques sont liées entre elles par des blocs de matière élastique lamellaires formés d'une alternance de couches de matière élastique et de couches d'un matériau sensiblement plat de raideur supérieure à celle du matériau élastique. Les lamelles des blocs lamellaires sont orientées sensiblement radialement, de manière à avoir une raideur en torsion relativement grande tout en gardant une grande souplesse axiale et conique. Selon le mode préféré de réalisation de l'invention, chacune des deux pièces métalliques, solidaires respectivement de l'arbre primaire et de l'arbre secondaire, présente une forme à trois doigts radiaux en étoile, jointifs au centre de ladite pièce, dite « configuration tripode ». Selon une première variante de réalisation de l'invention, la pièce métallique solidaire de l'arbre primaire présente une configuration tripode, mais l'autre pièce métallique, qui est solidaire de l'arbre secondaire, est formée de trois doigts radiaux non jointifs, de telle sorte que les blocs lamellaires liant les deux pièces métalliques sont reliés deux par deux autour de chacun des trois doigts radiaux.

Selon une deuxième variante de réalisation, la pièce métallique solidaire de l'arbre primaire présente également une configuration tripode, mais l'autre pièce métallique, qui est solidaire de l'arbre secondaire, est formée d'un manchon cylindrique qui emprisonne tous les blocs lamellaires, lesquels sont alors tous reliés entre eux. Selon une troisième variante de réalisation, chacune des deux pièces métalliques solidaires respectivement de l'arbre primaire et de l'arbre secondaire présente une forme à trois doigts radiaux non jointifs, de telle sorte que tous les blocs lamellaires sont reliés entre eux par leur partie centrale. Les doigts de chaque pièce métallique peuvent être, dans la direction de la pièce métallique, de section constante ou bien de section courbe.

De préférence, les pièces métalliques, qui sont solidaires respectivement de l'arbre primaire et de l'arbre secondaire, sont réalisées dans un matériau choisi parmi les matériaux raides suivants : acier, aluminium. De préférence également, les couches de matière élastique des blocs lamellaires sont réalisées en caoutchouc naturel, lequel peut avantageusement être renforcé par des noirs de carbone. Les couches intercalées entre les couches de matière élastique des blocs lamellaires peuvent être, de préférence, réalisées dans un des matériaux suivants de raideur supérieure à celle du matériau élastique : acier, aluminium, textile de fibres de carbone. Selon un mode différent de réalisation de l'invention, adapté à un désaxage relativement important entre l'arbre primaire et l'arbre secondaire, l'accouplement mécanique peut être composé d'au moins deux articulations formant un accouplement à au moins deux étages, chaque articulation étant conforme à celle décrite ci-dessus dans ses grandes lignes. D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui suit de plusieurs exemples de réalisation, non limitatifs de l'objet et de la portée de la présente demande de brevet, accompagnée de dessins dans lesquels : - la figure 1 est un schéma représentant une articulation d'un accouplement selon l'invention, vue dans un plan perpendiculaire aux axes des arbres primaire et secondaire en position alignés ou position « de repos » de l'accouplement, la figure 2 est un schéma représentant l'articulation de la figure 1, vue de côté en position de transmission de couple, les arbres étant alors en position désaxée, - la figure 3 est un schéma représentant également l'articulation de la figure 2, dans la position de 35 transmission de couple, - la figure 4 est un schéma représentant une première variante de réalisation de l'articulation selon l'invention, dans laquelle les blocs lamellaires sont liés entre eux deux par deux, - la figure 5 est un schéma représentant une seconde variante de réalisation de l'articulation selon l'invention, dans laquelle tous les blocs lamellaires sont liés entre eux et un manchon emprisonne le tout, - la figure 6 est un schéma représentant une troisième variante de réalisation de l'articulation selon l'invention, dans laquelle tous les blocs lamellaires sont liés entre eux, et - la figure 7 représente très schématiquement un accouplement mécanique selon l'invention, à deux étages, adapté à un désaxage plus important des arbres primaire et secondaire.

En référence aux schémas des figures 1 à 3, on a représenté le principe de l'articulation formant l'accouplement mécanique selon l'invention. L'articulation est constituée de deux pièces métalliques, référencées 10 et 20, solidaires respectivement d'un arbre primaire 1 et d'un arbre secondaire 2. Ces deux pièces présentent, chacune, une forme à trois doigts radiaux en étoile, jointifs au centre « 0 » de la pièce (figure 1), dite aussi « configuration tripode » dans la suite du texte. Ainsi, la pièce métallique 10 est formée de trois doigts radiaux en étoile 10A, 10B et 10C, et la pièce métallique 20 est formée de trois doigts radiaux en étoile 20A, 20B et 20C. Pour chaque pièce métallique, les doigts sont régulièrement espacés angulairement les uns des autres, par conséquent selon un pas angulaire de 120° d'angle.

Les deux pièces de configuration tripode 10 et 20 sont liées entre elles par des blocs de matière élastique lamellaires, référencés collectivement 30. Ces blocs 30 sont formés d'une alternance de couches 30A en caoutchouc et de couches 30B d'un matériau sensiblement plat de raideur supérieure à celle du caoutchouc, par exemple un tissu, un matelas de fibres ou encore une tôle métallique. Les lamelles des blocs lamellaires 30 sont orientées à peu près radialement de manière à avoir une raideur en torsion relativement grande tout en gardant une grande souplesse axiale et conique. Bien que sur les schémas des figures 1 à 3, on ait choisi de représenter une configuration tripode des pièces métalliques 10 et 20, c'est-à-dire des pièces à trois doigts radiaux, il va de soi qu'il est possible d'envisager un nombre de doigts différent. Toutefois, pour assurer « l'homocinétisme », il est nécessaire d'avoir au moins trois doigts. D'autre part, pour obtenir un désaxage angulaire important, l'épaisseur des blocs lamellaires 30 doit être suffisante, de façon à limiter le cisaillement dans le caoutchouc et, ainsi, éviter la rupture. Dès lors, une configuration des pièces métalliques 10 et 20 à plus de quatre doigts serait peu souhaitable. On notera que les blocs lamellaires 30 sont susceptibles de flamber lorsqu'on applique un couple, comme schématiquement représenté sur la figure 3, ce qui n'est pas souhaitable parce que, d'une part, cela risque de causer des dommages au caoutchouc et, d'autre part, cela diminue la raideur en torsion de l'accouplement mécanique. Pour éviter ce phénomène, des variantes de réalisation de l'articulation sont proposées, qui contraignent davantage les déplacements des blocs lamellaires 30.

Dans les variantes de réalisation décrites ci-après et représentées sur les figures 4 à 6, les mêmes références numériques désignent les pièces et parties de pièces qui sont identiques à celles des figures 1 à 3. Selon une première variante de réalisation représentée sur la figure 4, la pièce métallique 10, solidaire de l'arbre primaire 1, présente une configuration tripode à trois doigts 10A, 10B, 10C comme dans le mode de réalisation précédent et la seconde pièce métallique, référencée 21, solidaire de l'arbre secondaire 2, est formée de trois doigts radiaux 21D, 21F et 21G, non jointifs, de telle sorte que les blocs lamellaires 30 liant les deux pièces métalliques 10 et 21 sont reliés deux par deux autour de chacun des trois doigts 10A, 10B et 10C de la pièce en tripode. Selon une deuxième variante de réalisation représentée sur la figure 5, la pièce métallique 10, solidaire de l'arbre primaire 1, présente également une configuration tripode à trois doigts radiaux 10A, 10B et 10C, mais la pièce métallique 22, solidaire de l'arbre secondaire 2, est formée d'un manchon cylindrique qui emprisonne tous les blocs lamellaires 30. Tous les blocs 30 sont alors reliés entre eux. Selon une troisième variante de réalisation représentée sur la figure 6, chacune des deux pièces métalliques 13 et 23, solidaires respectivement de l'arbre primaire 1 et de l'arbre secondaire 2, présente une forme à trois doigts radiaux non jointifs 13A, 13B, 13C, respectivement 23A, 23B, 23C, de telle sorte que tous les blocs lamellaires 30 sont reliés entre eux par leur partie centrale. Dans la direction axiale, les doigts radiaux des pièces métalliques peuvent être de section constante ou bien courbe pour favoriser un mouvement de rotation du caoutchouc autour du doigt, ce qui permet de diminuer le mode de flexion qui apparaît pour chaque bloc 30 au cours d'une rotation d'arbre (figure 2) et qui génère une raideur conique indésirable. Les variantes décrites ci-dessus illustrent des solutions relativement souples axialement. Dans le cas où l'on ne souhaite pas une telle souplesse, il est possible d'ajouter une rotule eu centre de rotation souhaité.

Les pièces métalliques 10 et 20 sont réalisées dans un matériau relativement raide, par exemple l'acier ou l'aluminium. Le matériau élastique est, comme mentionné précédemment un caoutchouc. Il peut avantageusement s'agir d'un caoutchouc naturel, renforcé par des noirs de carbone, lequel présente de bonnes caractéristiques en fatigue.

Le matériau intercalé entre les couches de caoutchouc doit être raide, au moins dans le plan : on peut utiliser des plaques d'acier ou d'aluminium, ou bien des textiles de fibres de carbone, par exemple.

Si des plaques métalliques sont utilisées, les pièces métalliques, solidaires des arbres primaire et secondaire, peuvent être mises en forme par injection en surmoulant tous les éléments métalliques, comme pour les articulations de liaison au sol ou de suspension moteur des véhicules automobiles. Si des textiles sont utilisés, il est nécessaire d'envisager de réaliser a priori le composite et de l'assembler a posteriori aux éléments métalliques. Les géométries envisageables sont alors moins nombreuses et le procédé étant plus complexe à mettre en oeuvre, cela risque d'augmenter le prix de revient. Dans le cas où les arbres peuvent présenter des désalignements relativement importants, il est possible de réaliser un accouplement à plusieurs étages, c'est-à-dire à plusieurs articulations du type de celle décrite ci-dessus.

A titre d'exemple, on a représenté très schématiquement sur le dessin de la figure 7 un tel accouplement à deux étages identiques, référencés 100 et 200, respectivement, qui transmet le mouvement d'un arbre primaire 110 à un arbre secondaire 120, non colinéaire par rapport à l'arbre 110. Un arbre intermédiaire 130 est prévu pour relier les deux étages 100 et 200 de l'accouplement. La première articulation 100 est formée des deux pièces 110A et 130A, solidaires respectivement de l'arbre primaire 110 et de l'arbre intermédiaire 130, liées entre elles par des blocs lamellaires décrits ci-dessus. La seconde articulation 200 est formée des deux pièces 130B et 120A, solidaires respectivement de l'arbre intermédiaire 130 et de l'arbre secondaire 120, liées également entre elles par des blocs lamellaires. Avec cette configuration à plusieurs étages, la raideur en torsion diminue d'un facteur égal au nombre d'étages. Toutefois, il convient de noter que, pour des raisons de stabilité, il est préférable de na pas concevoir un tel accouplement à plus de deux étages. L'accouplement mécanique souple décrit ci-dessus est particulièrement adapté à réaliser un joint de transmission 5 automobile. En effet, un joint de transmission automobile doit remplir les fonctions suivantes : - transmettre un couple de l'ordre de 1000 Nm en fonctionnement normal, et de 2000 Nm de manière 10 exceptionnelle, - transmettre une vitesse de rotation de manière homocinétique, de façon à éviter d'introduire des vibrations, - accepter un désalignement angulaire entre les arbres 15 primaire et secondaire d'environ 10° d'angle pour une transmission arrière, et d'environ 40° d'angle pour une transmission avant (angle de braquage), - avoir une raideur en torsion importante, - avoir une raideur conique (c'est-à-dire associée au 20 désalignement angulaire) très faible, de façon à éviter d'introduire une raideur parasite dans la liaison au sol, - supporter un chargement cyclique correspondant à toute la vie du véhicule. En matière de raideur, il convient de noter que les 25 exigences sont contradictoires : en effet, le matériau qui réalise la liaison entre l'arbre primaire et l'arbre secondaire doit être relativement raide pour les sollicitations de torsion et relativement souple pour le désaxage.

30 La solution de l'invention, qui consiste à utiliser une structure composite élastomère/matériau peu extensible en couches superposées, répond aux fonctions et à la contradiction exposées, les élastomères étant très souples en cisaillement, mais très raides en compression 35 hydrostatique. La structure « feuilletée » de l'invention bénéficie de la souplesse de l'élastomère lorsqu'elle est cisaillée, mais reste raide en compression, car les couches du matériau raide contraignent l'élastomère à travailler dans un état proche de la compression hydrostatique. L'accouplement mécanique souple décrit ci-dessus présente d'autres avantages que ceux déjà mentionnés précédemment, en particulier les avantages suivants : - il permet de réaliser un excellent compromis entre le désaxage acceptable, la raideur en torsion et la raideur conique, - il est peu encombrant, et relativement léger du fait de l'utilisation d'un élastomère de densité assez faible et du fait également que les efforts sont répartis sur une plus grande surface, - il est de réalisation économique, parce qu'il n'implique pas d'usinage, et de traitement de surface, toutes opérations relativement coûteuses par rapport au moulage par injection en surmoulant le caoutchouc sur les pièces métalliques comme on le fait pour les articulations élastiques, - il amortit bien les vibrations, l'élastomère employé 20 possédant de réelles propriétés amortissantes. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ci-dessus ; d'autres modes de réalisation peuvent être conçus par l'homme de métier sans sortir du cadre et de la portée 25 de la présente invention.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Accouplement mécanique souple permettant de transmettre un couple entre un arbre primaire (1) et un arbre secondaire (2), caractérisé en ce qu'il est composé d'au moins une articulation à deux pièces métalliques (10, 20 ; 10, 21 ; 10, 22 ; 13, 23) solidaires respectivement de l'arbre primaire (1) et de l'arbre secondaire (2), lesdites deux pièces métalliques (10, 20 ; 10, 21 ; 10, 22 ; 13, 23) étant liées entre elles par des blocs (30) de matière élastique lamellaires formés d'une alternance de couches de matière élastique (30A) et de couches (30B) d'un matériau sensiblement plat de raideur supérieure à celle du matériau élastique, et en ce que les lamelles des blocs lamellaires (30) sont orientées sensiblement radialement de manière à avoir une raideur en torsion relativement grande tout en gardant une grande souplesse axiale et conique.
2. 2. Accouplement mécanique souple selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des deux pièces métalliques (10, 20) solidaires respectivement de l'arbre primaire (1) et de l'arbre secondaire (2) présente une forme à trois doigts radiaux (10A, 10B, 10C ; 20A, 20B, 20C) en étoile, jointifs au centre (« 0 ») de ladite pièce, dite « configuration tripode ».
3. 3. Accouplement mécanique souple selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce métallique (10) solidaire de l'arbre primaire (1) présente une configuration tripode et en ce que la pièce métallique (21) solidaire de l'arbre secondaire (2) est formée de trois doigts radiaux (21D, 21F, 21G) non jointifs, de telle sorte que les blocs lamellaires (30) liant les deux pièces métalliques (10, 21) sont reliés deux par deux autour de chacun des trois doigts.
4. 4. Accouplement mécanique souple selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce métallique (10) solidaire de l'arbre primaire (1) présente une configuration tripode et en ce que la pièce métallique (22)solidaire de l'arbre secondaire (2) est formée d'un manchon qui emprisonne tous les blocs lamellaires (30) et en ce que tous lesdits blocs (30) sont reliés entre eux.
5. 5. Accouplement mécanique souple selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des deux pièces métalliques (13, 23) solidaires respectivement de l'arbre primaire (1) et de l'arbre secondaire (2) présente une forme à trois doigts radiaux (13A, 13B, 13C ; 23A, 23B, 23C) non jointifs, de telle sorte que tous les blocs lamellaires (30) sont reliés entre eux par leur partie centrale.
6. 6. Accouplement mécanique souple selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les doigts de chaque pièce métallique (10, 20 ; 10, 21 ; 10, 22 ; 13, 23) sont de section constante dans la direction de ladite pièce métallique.
7. 7. Accouplement mécanique souple selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les doigts de chaque pièce métallique (10, 20 ; 10, 21 ; 10, 22 ; 13, 23) sont de section courbe dans la direction de ladite pièce métallique.
8. 8. Accouplement mécanique souple selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les pièces métalliques (10, 20 ; 10, 21 ; 10, 22 ; 13, 23) solidaires respectivement d'un arbre primaire (1) et d'un arbre secondaire (2) sont réalisées dans un matériau choisi parmi les matériaux raides suivants : acier, aluminium.
9. 9. Accouplement mécanique souple selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les couches de matière élastique (30A) des blocs lamellaires (30) sont réalisées en caoutchouc naturel.
10. 10. Accouplement mécanique souple selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit caoutchouc naturel est renforcé par des noirs de carbone.
11. 11. Accouplement mécanique souple selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les couches (30B) intercalées entre les couches de matièresélastique (30A) des blocs lamellaires (30) sont réalisées dans un des matériaux suivants de raideur supérieure à celle du matériau élastique : acier, aluminium, textile de fibres de carbone.
12. 12. Accouplement mécanique souple adapté à un désaxage relativement important entre un arbre primaire (110) et un arbre secondaire (120), caractérisé en ce qu'il est composé d'au moins deux articulations (100, 200) à deux pièces métalliques (110A, 130A ; 130B, 120A) formant un accouplement à au moins deux étages, chaque articulation étant conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, au moins un arbre supplémentaire (130) étant intercalé entre les deux articulations (100, 200) pour jouer le rôle d'arbre secondaire de la première articulation (100) et d'arbre primaire de la seconde articulation (200).
13. 13. Véhicule, en particulier véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un accouplement conforme à l'une quelconque des revendications précédentes pour assurer une fonction de joint de transmission mécanique.25