FR3070190A1 - Liaison a rotule d’une biellette de direction d’un vehicule automobile - Google Patents

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Abstract

L'invention a pour objet une liaison à rotule (1, 18) comprenant un bras (2) avec une tête sphérique (3) pourvue d'un revêtement autolubrifiant, et un boîtier (4) formant une cavité sphérique logeant la tête sphérique. Le revêtement autolubrifiant de la tête sphérique comprend des particules solides lubrifiantes organiques et/ou organométalliques, et la cavité du boîtier est libre de revêtement autolubrifiant. L'invention a également pour objet un dispositif comprenant une crémaillère de direction avec un corps, un arbre d'entrée et une tige à crémaillère mobile en translation suivant la rotation dudit arbre, ladite tige comprenant deux extrémités ; et deux liaisons à rotule (1) fixées aux deux extrémités de la tige à crémaillère, respectivement. Au moins une des deux liaisons à rotule est conforme à l'invention, le boîtier étant fixé à une des deux extrémités de la tige à crémaillère.

Description

LIAISON A ROTULE D’UNE BIELLETTE DE DIRECTION D’UN VEHICULE AUTOMOBILE
L’invention a trait au domaine des liaisons à rotule, plus particulièrement des biellettes de direction de véhicules automobiles.
Un système de direction d’un véhicule automobile est classiquement constitué d’un volant, d’une colonne de direction et d’une crémaillère, reliée aux roues avant par l’intermédiaire de biellettes de direction. La liaison entre chacune des biellettes et la crémaillère à ses extrémités est assurée par une liaison à rotule. Elle est généralement formée par une rotule montée dans un boîtier, comprenant une cage en plastique et un lubrifiant fluide, tel que de la graisse.
Le fonctionnement de l’assemblage sous l'effet d'efforts répétés peut engendrer généralement une usure des pièces en contact. Des débris de matériau sont retrouvés dans la graisse, suite à l’abrasion de la rotule contre la cage. Les surfaces de contact les plus sollicitées subissent en outre une usure adhésive observée sur la rotule et sur la cage. Après plusieurs cycles de fonctionnement, un déficit de renouvellement de la graisse peut survenir. Il est caractérisé par une accumulation de la graisse à certaines zones de la liaison à rotule, et une absence ou du moins une présence en quantité insuffisante pour assurer une lubrification sur d’autres zones. Ce phénomène est particulièrement présent dans les liaisons à rotule avec des mouvements d'amplitude très réduite, ce qui est le cas de rotules axiales sur une crémaillère de direction d’un véhicule automobile. Le « déficit de renouvellement de la graisse » peut donc provoquer une usure de contact ou « fretting ». L’ensemble de ces phénomènes conduit à un comportement tribologique dégradé, caractérisé par des glissements saccadés dits « stick-slip ». Cette instabilité crée des vibrations dont l’amplification provoque en conséquence des nuisances sonores audibles par le conducteur.
Le document de brevet publié FR 1 371 789 divulgue un élément ou une garniture de palier sec à faible friction, dont une face portante est formée de résine synthétique thermoplastique à faible coefficient de frottement et d’un hydrocarbure fluoré polymérisé. La face portante peut être renforcée par une matière d’adossement, éventuellement clavetée à la face intérieure ou extérieure de la structure de palier. L’élément de palier peut avoir différentes formes pour produire un palier de butée et de rotation combiné.
Ce type de palier permet donc d’améliorer le coefficient de frottement des surfaces en contact sur lesquelles il est appliqué. Cependant, cette solution n’est pas adaptée aux liaisons où le boîtier doit être serti autour de la rotule. Le champ d’application de cet enseignement est donc limité et ne couvre pas tous les types de liaisons à rotule, notamment dans les conditions de fonctionnement précédemment décrites.
Le document de brevet publié WO 2015/107169 divulgue une liaison à rotule comprenant un boîtier et une tête sphérique. La cage du boîtier est revêtue intérieurement d’une première couche de matériau composite en fibres de carbone, enveloppée d’un enroulement en fibres de carbone puis d’une deuxième couche externe de matériau composite en fibres de carbone. Un revêtement en graphite peut partiellement recouvrir la surface de contact entre la première couche en composite de carbone et la tête sphérique.
Ce document de l’état de l’art décrit une solution de revêtement du boîtier. Il est également fait mention d’un revêtement de la tête sphérique, sans pour autant en préciser la nature ni le comportement au contact du reste des pièces. Enfin, le procédé de fabrication du boîtier selon cet enseignement n’est pas applicable à un boîtier destiné à être serti autour d’une rotule. En effet, la méthode décrite consiste à construire le boîtier en « enroulant >> un matériau composite à base de fibres de carbone autour de la rotule. Cette solution ne résout pas de façon adéquate le problème posé.
L’invention a pour objectif de pallier au moins un des inconvénients de l’état de la technique susmentionné. Plus particulièrement, l’invention a pour objectif de proposer une liaison rotule ayant un meilleur fonctionnement tribologique afin d’améliorer la longévité d’un tel mécanisme et de réduire les risques de perturbations acoustiques.
L’invention a pour objet une liaison à rotule comprenant un bras avec une tête sphérique pourvue d’un revêtement autolubrifiant, un boîtier formant une cavité sphérique logeant la tête sphérique, remarquable en ce que le revêtement autolubrifiant de la tête sphérique comprend des particules solides lubrifiantes organiques et/ou organométalliques, et la cavité du boîtier est libre de revêtement autolubrifiant.
Avantageusement, la tête sphérique est réalisée en matériau métallique.
Avantageusement le boîtier comprend, à une extrémité opposée à l’ouverture de la cavité, un élément de fixation, tel qu’un filetage mâle ou femelle. Ledit élément est avantageusement venu de matière avec la partie du boîtier formant la cavité.
Selon un mode avantageux de l’invention, le ou les matériaux des particules solides lubrifiantes du revêtement autolubrifiant de la tête sphérique sont sélectionnés parmi la liste suivante : M0S2, WS2, PTFE (polytétrafluoroéthylène), graphite.
Selon un mode avantageux de l’invention, le revêtement autolubrifiant de la tête sphérique comprend, en outre, un liant organique polymère, thermoplastique ou thermodurcissable.
Selon un mode avantageux de l’invention, le boîtier est serti sur la tête sphérique.
Selon un mode avantageux de l’invention, le boîtier est en matériau métallique et libre de cage en matériau non métallique. Par cage, on entend un élément rapporté dans la cavité du boîtier.
Selon un mode avantageux de l’invention, la liaison à rotule est une liaison à rotule axiale, le bras formant une biellette de crémaillère de direction de véhicule automobile.
L’invention a également pour objet un dispositif de crémaillère de direction de véhicule automobile, comprenant une crémaillère de direction avec un corps, un arbre d’entrée et une tige à crémaillère mobile en translation suivant la rotation dudit arbre, ladite tige comprenant deux extrémités ; et deux liaisons à rotule fixées aux deux extrémités de la tige à crémaillère, respectivement ; remarquable en ce qu’au moins une des deux liaisons à rotule est conforme à l’invention, le boîtier de ladite liaison étant fixé à une des deux extrémités de la tige à crémaillère.
L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’une liaison à rotule, comprenant les étapes suivantes : mise à disposition d’un bras avec une tête sphérique et d’un boîtier formant une cavité sphérique ; insertion de la tête sphérique dans la cavité sphérique du boîtier ; sertissage du boîtier ; remarquable en ce que la liaison à rotule est conforme à l’invention.
Selon un mode avantageux de l’invention, le procédé comprend une étape préalable d’application sur la tête sphérique du revêtement autolubrifiant par projection thermique et/ou enduction et cuisson.
Selon un mode avantageux de l’invention, l’épaisseur moyenne du revêtement autolubrifiant est supérieure à 5pm et/ou inférieure à 500 pm.
Les mesures de l’invention sont intéressantes en ce que le revêtement appliqué sur la tête sphérique est un autolubrifiant sec. Il fonctionne préférentiellement avec un boîtier en matériau métallique non revêtu. L’assemblage peut donc être libre de cage en plastique par exemple, et de tout fluide lubrifiant tel que de la graisse. Un tel dispositif est moins sujet aux risques d’usure par contact (abrasive et adhésive). Le risque des nuisances sonores est donc réduit.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l’aide de la description et des dessins parmi lesquels :
- La figure 1 est un schéma du mécanisme de direction d’un véhicule automobile ;
- La figure 2 est une vue des composants d’une direction assistée électrique;
- La figure 3 est une vue des éléments d’une liaison à rotule ;
- La figure 4 est une vue en coupe de la tête sphérique et de son revêtement selon l’invention ;
- La figure 5 est un procédé de fabrication d’une liaison à rotule selon l’invention.
La figure 1 est un schéma simplifié du mécanisme de direction d’un véhicule automobile.
Afin de contrôler la trajectoire du véhicule à travers l’orientation des roues 15, le conducteur applique un effort sur le volant 11. Cet effort de rotation est transmis via la colonne de direction 12, solidaire du volant et se prolongeant depuis le tableau de bord vers le compartiment moteur. Un pignon 13 se trouve à son extrémité, et engage dans les dents d’une tige de crémaillère 5 située entre les deux roues avant. Lorsque le pignon tourne, cet engrenage permet de déplacer latéralement la crémaillère 5, reliée aux roues par une biellette de direction 16 de chaque côté. Grâce à une liaison à rotule 1, la biellette de direction 16 permet de transformer le mouvement de translation de la tige de crémaillère 5 en une rotation du porte-fusée 14 lié aux roues.
La figure 2 est une vue des composants d’une direction assistée électrique.
Le mécanisme met en oeuvre une tige de crémaillère 5 généralement comprise dans un carter 7 fixé au châssis du véhicule. Un capteur de couple 10 mesure le couple exercé par le conducteur sur la colonne de direction. En fonction de la valeur mesurée et des conditions de conduite, le calculateur 9 pilote un moteur électrique pour fournir un couple additionnel sur le pignon de la crémaillère à travers un réducteur 8.
Chacune des biellettes de direction 16 est composée d’une rotule axiale 18 dotée d’une tête sphérique du côté de la tige de crémaillère 5. Elle comprend également une rotule de direction 17 assurant la liaison entre les roues et la rotule axiale 18 par une jonction de longueur réglable. La tête sphérique de la rotule axiale 18 est montée dans un boîtier solidaire d’une extrémité de la tige de crémaillère 5.
Compte tenu de l'orientation variable de la biellette relativement à l'extrémité de la tige de crémaillère, celle-ci étant à son tour mobile en translation dans le carter 7, la protection de la tige de crémaillère 5 et de la rotule axiale 18 est habituellement assurée par un soufflet de biellette, qui chausse l'extrémité adjacente du carter 7 et la biellette correspondante 16, en recouvrant l'extrémité de la tige de crémaillère (extérieure au carter) et la rotule axiale 18.
La figure 3 est une représentation des éléments de la rotule axiale.
La figure 3(a) montre la rotule axiale 18 démontée. Elle est composée d’un bras 2 comprenant une tête sphérique 3 formant le pivot qui assure l'articulation de la biellette avec la crémaillère de direction. Cette tête est apte à être insérée dans un boîtier 4 avec une cage 6 en plastique, généralement à base de polyphthalamide (PPA). L’ensemble peut être graissé lors de l’assemblage.
La figure 3(b) montre la rotule axiale 18 assemblée. Les liaisons à rotule de l’état de l’art sont montées avec de la graisse appliquée après la mise en place de la cage dans le boîtier. Le boîtier est ensuite serti autour de la cage et de la tête sphérique de la rotule axiale. Un tel assemblage nécessite un rodage qui consiste en la mise en rotation de la rotule axiale autour de son axe principal, généralement à une vitesse de 450 tours par minute pendant 8 secondes.
Une liaison à rotule selon l’invention comprend un bras avec une tête sphérique pourvue d’un revêtement autolubrifiant et un boîtier formant une cavité sphérique, libre de revêtement autolubrifiant. La tête sphérique est logée directement dans cette cavité, sans cage et avantageusement sans graisse.
La figure 4 est une vue schématique en coupe d’une portion de la tête sphérique et de son revêtement selon l’invention.
Un revêtement autolubrifiant organique et/ou organométallique est appliqué à la surface de la tête sphérique qui constitue la pièce à revêtir. Le revêtement est composé d’un liant organique polymère 21 (de type thermodurcissable ou thermoplastique), de particules lubrifiantes solides 20 ainsi que d’additifs, tels que des colorants par exemple.
Le ou les matériaux des particules solides lubrifiantes du revêtement autolubrifiant sont sélectionnés de façon à obtenir un revêtement à basse énergie de surface et/ou d’une faible résistance au cisaillement. Il peut s’agir, de façon non exhaustive, de M0S2, WS2, PTFE (polytétrafluoroéthylène) ou encore de graphite. L’effet lubrifiant est obtenu grâce à la structure lamellaire de ces matériaux.
De façon avantageuse, l’épaisseur moyenne E du revêtement autolubrifiant est supérieure à 5pm et/ou inférieure à 500 pm.
Selon l’invention, le procédé d’application d’un tel revêtement sur la tête sphérique de la liaison à rotule, en l’occurrence une rotule axiale, peut être par projection thermique ou par enduction, notamment par enduction par trempage. Il s’agit du procédé d’application optimal compte tenu de l’épaisseur du dépôt et de la nature du lubrifiant sec.
Les performances de ces revêtements organiques dépendent de la qualité de la préparation de la surface du substrat (surface à revêtir), de la nature du substrat et de l’épaisseur du revêtement. Ces performances dépendent également des surfaces en contact : le coefficient de frottement est plus faible lorsque la tête sphérique revêtue est utilisée dans une cavité de boîtier non revêtue et éventuellement sans ajout de graisse.
La figure 5 est un procédé de fabrication d’une liaison à rotule selon l’invention.
Le boîtier est positionné sur la machine d’assemblage au cours de l’étape (a). L’utilisation d’une rotule axiale à tête sphérique revêtue selon l’invention permet de s’affranchir de la mise en place d’une cage en plastique et de l’ajout d’un lubrifiant fluide dans la cavité du boitier. La rotule axiale peut directement être installée dans la cavité au cours de l’étape (b), suivie par le sertissage du boîtier autour de la tête sphérique en étape (c).
Ces étapes de montage sont suivies par une étape (d) de contrôle de l’angle de basculement de la rotule axiale par rapport au boitier. Les dispositifs non conformes sont mis au rebut. L’assemblage n’a pas besoin d’être rodé car il ne comprend pas de cage. Le dispositif assemblé peut enfin être déchargé (e) et livré.

Claims (10)

1. Liaison à rotule (1, 18), comprenant :
- un bras (2) avec une tête sphérique (3) pourvue d’un revêtement autolubrifiant ;
- un boîtier (4) formant une cavité sphérique logeant la tête sphérique (3); caractérisée en ce que le revêtement autolubrifiant de la tête sphérique (3) comprend des particules solides lubrifiantes (20) organiques et/ou organométalliques, et la cavité du boîtier (4) est libre de revêtement autolubrifiant.
2. Liaison à rotule (1, 18) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le ou les matériaux des particules solides lubrifiantes (20) du revêtement autolubrifiant de la tête sphérique (3) sont sélectionnés parmi la liste suivante : M0S2, WS2, polytétrafluoroéthylène, graphite.
3. Liaison à rotule (1, 18) selon la revendication 2, caractérisée en ce que le revêtement autolubrifiant de la tête sphérique (3) comprend, en outre, un liant (21) organique polymère, thermoplastique ou thermodurcissable.
4. Liaison à rotule (1, 18) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le boîtier (4) est serti sur la tête sphérique (3).
5. Liaison à rotule (1, 18) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le boîtier est en matériau métallique et libre de cage (6) en matériau non métallique.
6. Liaison à rotule (1, 18) selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ladite liaison (1) est à une liaison à rotule axiale (18), le bras (2) formant une biellette (16) de crémaillère de direction (5) de véhicule automobile.
7. Dispositif de crémaillère de direction de véhicule automobile, comprenant :
- une crémaillère de direction avec un corps (7), un arbre d’entrée et une tige de crémaillère (5) mobile en translation suivant la rotation dudit arbre, ladite tige comprenant deux extrémités ; et
- deux liaisons à rotule (1, 18) fixées aux deux extrémités de la tige à crémaillère (5), respectivement ;
caractérisé en ce qu’au moins une des deux liaisons à rotule (1, 18) est conforme à l’une des revendications 1 à 6, le boîtier (4) de ladite liaison étant fixé à une des deux extrémités de la tige à crémaillère (5).
8. Procédé de fabrication d’une liaison à rotule (1, 18), comprenant les étapes suivantes :
- mise à disposition d’un bras (2) avec une tête sphérique (3) et d’un boîtier (4) formant une cavité sphérique ;
- insertion de la tête sphérique (3) dans la cavité sphérique du boîtier (4) ;
- sertissage du boîtier (4) ;
caractérisé en ce que la liaison à rotule (1, 18) est conforme à l’une des revendications 1 à 6.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit procédé comprend une étape préalable d’application sur la tête sphérique (3) du revêtement autolubrifiant par projection thermique et/ou enduction et cuisson.
10. Procédé selon l’une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que l’épaisseur moyenne (E) du revêtement autolubrifiant est supérieure à 5pm et/ou inférieure à 500 pm.
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Citations (7)

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