FR3104530A1 - Arbre de direction de véhicule et procédé de fabrication d’un tel arbre de direction. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un arbre de direction (100) pour une colonne de direction de véhicule tel qu’un véhicule automobile, l’arbre de direction (100) comportant un corps intermédiaire (10) au moins en partie tubulaire s’étendant axialement suivant un axe de référence (X) entre deux extrémités (11, 12), l’arbre de direction (100) étant caractérisé en ce qu’au moins une première (11) des deux extrémités (11, 12) du corps intermédiaire (10) est métallique et tubulaire, et soudée bout à bout à une première pièce métallique d’extrémité (20) de l’arbre de direction (100), de sorte qu’une interface de soudure (30) entre la première extrémité (11) du corps intermédiaire (10) et la pièce d’extrémité (20) présente une forme annulaire, l’interface de soudure (30) étant contenue dans un premier plan (P1) de soudage, de préférence perpendiculaire à l’axe de référence (X). (Fig. 1C)
Description
Domaine technique de l’invention
L'invention concerne, de façon générale, le domaine technique des arbres de direction pour une colonne de direction de véhicule tel qu’un véhicule automobile.
L’invention se rapporte plus spécifiquement à un arbre de direction et à un procédé de fabrication amélioré d’un tel arbre de direction.
Une colonne de direction est classiquement composée d’un corps s’étendant axialement entre deux extrémités: une première extrémité configurée pour être reliée directement ou indirectement à un volant de direction pour reprendre le couple issu dudit volant commandé par un conducteur du véhicule, et une seconde extrémité comportant une mâchoire destinée à former une partie d’un cardan servant de renvoi d'angle pour mettre en rotation un pignon engrenant avec une crémaillère de direction. Dans le cas où la colonne de direction est composée d’un axe intermédiaire et de deux arbres, l’une des extrémités peut comporter une interface destinée à former un élément de liaison dudit axe intermédiaire.
Pour réaliser un tel arbre de direction, il est connu d’utiliser des pièces fonctionnelles rapportées sur le corps de l’arbre et solidarisées ensemble par plusieurs moyens. Par exemple, l’assemblage de la mâchoire rapportée sur le corps de l’arbre peut être réalisé par filage d’une extrémité d’un corps du tube puis frettage cannelé de la mâchoire sur le corps du tube filé, une partie de la mâchoire ayant été préalablement cannelée lors de l‘emboutissage. Le corps de l’arbre de direction est quant à lui généralement réalisé d’un seul tenant par un procédé de déformation à froid à partir d’une pièce tubulaire.
Toutefois, un tel procédé de fabrication de l’arbre de transmission et de la liaison avec une pièce d’extrémité telle qu’une mâchoire frettée impose de surdimensionner le produit pour que celui-ci soit industrialisable et fonctionnel. En effet, le filage et le frettage cannelé nécessitent une épaisseur minimum prédéterminée, d’une part, afin d’assurer une bonne tenue du frettage pour éviter l’affaissement de l’extrémité tubulaire du tube, et d’autre part, pour assurer que le corps tubulaire ne s’affaisse pas lors du maintien de celui-ci pendant le processus de filage. Le martelage nécessite quant à lui un tube d’une autre épaisseur minimum pour permettre le formage de dents à la hauteur souhaitée. Ces épaisseurs minimales sont généralement supérieures à une épaisseur suffisante du corps tubulaire pour assurer le passage du couple, à savoir l’épaisseur suffisante correspondant au besoin du produit. L’un des inconvénients de la technologie actuelle est donc de devoir surdimensionner l’arbre de direction pour permettre sa fabrication et son assemblage.
Un autre inconvénient de ces solutions connues est que les différents procédés d’assemblage mis en œuvre présentent un temps de cycle relativement long. En effet, dans le cas d’un assemblage par filage puis frettage, le procédé de fabrication nécessite un temps minimum pour la déformation matière lors du filage. Puis, afin d’être certain de l’orientation de la cannelure filée du tube vis-à-vis de la cannelure de la mâchoire, et ainsi assurer une connexion fiable, les opérations de filage et de frettage doivent se faire successivement, sans perte de référence. En effet, il est difficile d’effectuer les opérations en parallèle du fait que la pièce doit toujours être tenue durant les étapes de fabrication.
Une autre contrainte de l’art antérieur est de devoir développer des corps intermédiaires d’arbres de direction différents selon leurs longueurs et ainsi créer une prolifération de références de produits. En effet, comme aujourd’hui les corps des arbres de direction sont généralement fabriqués en une pièce, d’un seul tenant, chaque étape du procédé de fabrication doit être adaptée pour chaque longueur d’arbre de direction. Étant donné que les arbres de direction nécessitent des outils spécifiques pour chacune des dimensions spécifiques, cela implique des changements de séries entre les références et du temps de développement et d’industrialisation supplémentaire. Il existe donc un besoin de limiter le nombre de références et de simplifier le processus de fabrication et d’assemblage.
L’invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients de l’état de la technique en proposant notamment un arbre de direction dont la conception permette un dimensionnement au juste besoin du produit et non aux besoins du processus de fabrication, et dont le processus de fabrication est simple et économique, notamment en présentant un temps de cycle amélioré.
Pour ce faire est proposé, selon un aspect de l'invention un arbre de direction pour une colonne de direction de véhicule tel qu’un véhicule automobile, l’arbre de direction comportant un corps intermédiaire au moins en partie tubulaire s’étendant axialement suivant un axe de référence entre deux extrémités, l’arbre de direction étant remarquable en ce qu’au moins une première des deux extrémités du corps intermédiaire est métallique et tubulaire, et soudée bout à bout à une première pièce métallique d’extrémité de l’arbre de direction, de sorte qu’une interface de soudure entre la première extrémité du corps intermédiaire et la pièce d’extrémité présente une forme annulaire, l’interface de soudure étant contenue dans un premier plan de soudage, de préférence perpendiculaire à l’axe de référence.
Grâce à une telle combinaison de caractéristiques, il est possible d’adapter un tel arbre de direction en modifiant simplement la longueur d’une partie tubulaire de son corps intermédiaire. Par ailleurs, une telle solidarisation par soudage permet notamment une liaison simple à mettre en œuvre et permettant de réduire les temps de cycles par rapport aux solutions connues de l’art antérieur.
Un tel soudage est avantageusement effectué par un soudage autogène par résistance. On entend par le vocable «autogène» qu’il n’y a pas d’apport de matière pour procéder au soudage. Grâce à un tel soudage, la liaison entre la première des deux extrémités et le corps intermédiaire est sans bavure, ni cordon de soudure ou protubérance annulaire dans la zone de soudure. Au contraire, dans le cas d’une soudure par résistance, il s’agit d’une liaison atomique entre les deux pièces soudées.
Un arbre de direction comportant ces caractéristiques offre une modularité avantageuse en ce qu’il est facilement fabriqué tout en étant adaptable, ceci avec très peu de différence de conception étant donné qu’une simple découpe d’une partie tubulaire du corps intermédiaire à une longueur prédéterminée suffit pour s’adapter à des environnements différents. Les pièces d’extrémités sont quant à elles adaptées aux interfaces de liaisons de l’arbre et peuvent être les mêmes pour des longueurs d’arbres différentes.
Selon un mode de réalisation, le corps intermédiaire de l’arbre de direction est formé monobloc et, de préférence, tubulaire continûment sur toute sa longueur, entre ses deux extrémités. De cette manière, la conception du corps intermédiaire est réduite à un élément simple à fabriquer, dont la seule longueur suffit à être adaptée d’un véhicule à un autre. Les pièces d’extrémité peuvent quant à elles présenter des références identiques.
Selon un mode de réalisation, le corps intermédiaire est entièrement tubulaire et présente une épaisseur constante sur toute sa longueur, entre ses deux extrémités. Une structure intégralement tubulaire du corps intermédiaire garanti notamment une masse relativement réduite. De même, une épaisseur constante de la pièce tubulaire, voire une section constante, permet d’obtenir un arbre à la dimension souhaitée par une simple étape de découpe d’une partie tubulaire du corps intermédiaire à une longueur prédéterminée de manière à former la première des deux extrémités du corps intermédiaire. De préférence également, le diamètre de la pièce tubulaire du corps intermédiaire est constant sur toute sa longueur de sorte à simplifier sa fabrication.
Selon un mode de réalisation, une deuxième des deux extrémités du corps intermédiaire est métallique et tubulaire, et soudée bout à bout à une deuxième pièce métallique d’extrémité de sorte qu’une interface de soudure entre la deuxième extrémité du corps intermédiaire et la deuxième pièce d’extrémité présente une forme annulaire et soit contenue dans un deuxième plan de soudage, de préférence étant perpendiculaire à l’axe de référence. De cette manière, le corps intermédiaire permet d’adapter la longueur de l’arbre de direction à la longueur désirée sans modifier les autres éléments, tels que les première et deuxième pièces d’extrémité qui lui sont soudées à chacune des première et deuxième extrémités respectives.
Selon un mode de réalisation, le corps intermédiaire et la ou les pièce(s) d’extrémité(s) soudées audit corps intermédiaire sont formés en matériau(x) métallique(s) identique(s). Une telle caractéristique facilite le soudage tel que le soudage par résistance.
Selon un mode de réalisation, la première pièce d’extrémité comporte un élément d’une mâchoire de cardan.
Selon un mode de réalisation, la première pièce d’extrémité comporte un élément de coulisse destiné à être relié avec un axe intermédiaire de la colonne de direction.
Selon un mode de réalisation, l’élément de coulisse présente de cannelure dont des fonds sont situés radialement à l'extérieur de l’extrémité tubulaire et de l’interface de soudure. De cette manière, on autorise le coulissement de l’élément de coulisse dans un axe associé, par exemple un axe d’un volant d’une partie supérieure de la colonne de direction ou dans un tube d’une partie inférieur de la colonne de direction, selon le positionnement de l’arbre.
Selon un mode de réalisation, la première pièce d’extrémité comporte un embout cannelé de liaison avec un embout cannelé correspondant d’une mâchoire de cardan. Une telle caractéristique permet d’obtenir une pièce d’extrémité dont la mâchoire de cardan est amovible grâce à la liaison cannelée facilitant ainsi l’assemblage de la transmission sur la colonne de direction, voire sur le véhicule.
Selon un mode de réalisation, la deuxième pièce d’extrémité peut comporter l’un des éléments décrits ci-dessus de façon similaire à la première extrémité tels qu’un élément d’une mâchoire de cardan, un élément de coulisse ou un embout cannelé de liaison avec un embout cannelé correspondant d’une mâchoire de cardan.
Selon un autre aspect, l’invention concerne également un procédé de fabrication d’un arbre de direction comportant tout ou partie des caractéristiques décrites ci-avant, le procédé étant remarquable en ce qu’il comporte:
- une étape de découpe d’une partie tubulaire du corps intermédiaire à une longueur prédéterminée de manière à former la première des deux extrémités du corps intermédiaire, et
- une étape de soudage autogène par résistance de la première des deux extrémités aboutée à la première pièce d’extrémité et présentant une interface annulaire de contact avec la première des deux extrémités, contenue dans le premier plan de soudage.
Selon un mode de réalisation, la première pièce d’extrémité présente une face plane située dans le premier plan de soudage et constituant l’interface annulaire de contact.
Selon un mode de réalisation, l’étape de soudage autogène par résistance comporte une application d’un courant entre deux électrodes situées de part et d’autre de la surface annulaire de contact et une application d’une pression de la pièce d’extrémité aboutée avec l’extrémité associée du corps intermédiaire, au moins pendant l’application du courant, et de préférence durant une durée supplémentaire après l’application du courant.
Selon un mode de réalisation, avant l’étape de soudage, le procédé comporte une étape d’usinage de l’extrémité tubulaire du corps intermédiaire pour diminuer localement son épaisseur, par exemple par l’usinage d’un chanfrein interne et/ou externe, l’épaisseur de l’extrémité tubulaire étant de préférence inférieure à 1mm, et de préférence encore inférieure à 0,5mm. Une telle caractéristique permet de limiter au maximum la zone de contact entre les éléments à assembler et d’en augmenter la résistivité.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent:
: une vue en perspective d’un arbre de direction selon un premier mode de réalisation ;
: une vue de côté de l’arbre de direction selon le mode de réalisation de la figure 1A ;
: une vue en coupe axiale de l’arbre de direction selon le mode de réalisation de la figure 1A ;
: une vue en perspective d’un arbre de direction selon un deuxième mode de réalisation ;
: une vue de côté de l’arbre de direction selon le mode de réalisation de la figure 2A ;
: une vue en coupe axiale de l’arbre de direction selon le mode de réalisation de la figure 2A ;
: une vue en perspective d’un arbre de direction selon un troisième mode de réalisation ;
: une vue en coupe axiale de l’arbre de direction selon le mode de réalisation de la figure 3A ;
: une vue en coupe d’un corps intermédiaire selon un mode de réalisation;
: un détail de la figure 4;
: une vue en perspective d’une pièce d’extrémité selon un mode de réalisation ;
: une vue de côté de la pièce d’extrémité selon le mode de réalisation de la figure 6A ;
: une vue en coupe axiale de la pièce d’extrémité selon le mode de réalisation de la figure 6A ;
: une vue en perspective d’une pièce d’extrémité selon un autre mode de réalisation ;
: une vue de côté de la pièce d’extrémité selon le mode de réalisation de la figure 7A ;
: une vue de côté d’une pièce d’extrémité selon un autre mode de réalisation ;
: une vue en coupe axiale de la pièce d’extrémité selon le mode de réalisation de la figure 8A ;
: une vue en perspective d’une pièce d’extrémité selon un autre mode de réalisation ;
: une vue en coupe axiale de la pièce d’extrémité selon le mode de réalisation de la figure 9A ;
: une vue en coupe axiale d’une pièce d’extrémité selon un autre mode de réalisation;
: une vue en perspective d’un arbre de direction selon un autre mode de réalisation ;
: une vue en coupe axiale de l’arbre de direction selon le mode de réalisation de la figure 11A ;
: une vue en perspective d’un arbre de direction selon un autre mode de réalisation ;
: une vue en coupe axiale de l’arbre de direction selon le mode de réalisation de la figure 12A.
Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures.
description DÉTAILLÉE d’un mode de rÉalisation
Les figures 1A, 1B et 1C illustrent un arbre de direction100selon un premier mode de réalisation. L’arbre de direction100est destiné à équiper une colonne de direction (non illustrée) pour un véhicule tel qu’un véhicule automobile, par exemple une voiture.
Une colonne de direction comporte un axe guidé dans un fourreau et présentant une extrémité configurée pour être reliée directement ou indirectement à un volant de direction (non illustré) et une autre extrémité opposée présentant une interface telle qu’un cardan servant de renvoi d'angle vers un autre axe, ou axe inférieur, pour mettre en rotation un pignon engrenant avec une crémaillère de direction (non illustrée). Chacun de ces axes forme un arbre de direction100relié par leurs extrémités respectives, à une interface correspondante.
L’arbre de direction100comporte un corps intermédiaire10s’étendant axialement suivant un axe de référenceXentre une première extrémité11et une deuxième extrémité12longitudinales. Le corps intermédiaire10est constitué ici d’une pièce métallique formée d’un seul tenant.
En particulier, pour simplifier la conception de l’arbre de direction100, de même que pour alléger sa masse, le corps intermédiaire10de l’arbre de direction est tubulaire sur toute sa longueur, en particulier ici sensiblement cylindrique, et présente une épaisseurEconstante sur toute sa longueur, entre ses première et deuxième extrémités11,12. Le profil cylindrique assure également une section constante sur toute la longueur du corps intermédiaire10de sorte qu’une telle forme tubulaire est particulièrement simple à fabriquer.
Chacune des deux extrémités11,12est reliée à une pièce d’extrémité20,40 associée. Ainsi, selon ce mode de réalisation, une première pièce d’extrémité20comporte un élément d’une mâchoire de cardan21. Un tel élément de mâchoire de cardan21permet de s’interfacer et transmettre un mouvement de rotation avec une mâchoire de cardan qui peut être une mâchoire fixe (voir les figures 1A, 1B et 1C).
Cette première pièce d’extrémité20est solidarisée fixement à la première extrémité11du corps intermédiaire10au moyen d’une soudure. Pour ce faire, la première pièce d’extrémité20comporte une paroi ou surface plane25perpendiculaire par rapport à l’axe de référenceXet formant une interface contact30avec une section annulaire du corps intermédiaire10.
De façon similaire, une deuxième pièce d’extrémité40comporte un élément de coulisse22destiné à être relié avec un axe intermédiaire de la colonne de direction. Cette deuxième pièce d’extrémité40est solidarisée fixement à la deuxième extrémité12du corps intermédiaire10au moyen d’une autre soudure. L’élément de coulisse22présente des cannelures23dont des fonds231sont situés radialement à l'extérieur de l’extrémité tubulaire12et de l’interface de soudure30associée. Cela permet d’autoriser le coulissement de l’élément de coulisse22dans un axe associé, par exemple ici un axe d’un volant d’une partie supérieure de la colonne de direction, et dont le corps intermédiaire10ne forme pas obstacle à cette translation.
Un tel élément de coulisse22permet de garantir une interface avec l’axe du volant de la partie supérieure de la colonne de direction, ou bien par exemple avec un tube femelle de la partie inférieure de la colonne de direction (axe intermédiaire). Cet élément de coulisse22permet de transmettre une rotation entre l’axe du volant ou le tube femelle tout en garantissant un coulissement, d’une part, entre l’élément de coulisse22, et d’autre part, avec l’axe volant de la partie supérieure de la colonne de direction ou le tube de la partie inférieure de la colonne de direction.
Cet élément de coulisse22est fabriqué par un procédé de déformation à froid afin d’optimiser la quantité de matière mise en œuvre au juste besoin produit pour la transmission de couple. L’élément de coulisse22présente une surface plane25perpendiculaire à l’axe de référence correspondant à un axe de la transmission qui sert de zone de liaison avec corps intermédiaire tubulaire. Cette surface plane25vient fermer complètement une ouverture du corps intermédiaire10tubulaire.
À chacune de ses deux extrémités11,12, le soudage du corps intermédiaire10avec les pièces d’extrémité20,40sur arbre de direction est réalisé de manière similaire. Il s’agit d’un soudage autogène, à savoir sans l’aide d’un alliage intermédiaire, et réalisé par résistance, de la première11des deux extrémités aboutée à la première pièce d’extrémité20, et respectivement de la deuxième12des deux extrémités aboutée à la deuxième pièce d’extrémité40. Un tel soudage autogène par résistance comporte une application d’un courant entre deux électrodes situées de part et d’autre de la surface annulaire de contact30et une application d’une pression de la pièce d’extrémité20,40aboutée avec l’extrémité11,12associée du corps intermédiaire10, au moins pendant l’application du courant, et de préférence durant une durée supplémentaire après l’application du courant.
Pour permettre la réalisation d’un tel soudage, chacune des première et deuxième extrémités11,12du corps intermédiaire10est métallique, de même que les première et deuxième pièces d’extrémité20,40associées de l’arbre de direction100. Il est également choisi de préférence que les première et deuxième extrémités11,12du corps intermédiaire10ainsi que les première et deuxième pièces d’extrémité20,40sont formées du ou des même(s) matériau(x) métallique(s).
La soudure est effectuée de sorte que chacune des première et deuxième extrémités11,12sont disposées bout à bout respectivement avec la pièce d’extrémité20,40correspondante de sorte que la première pièce d’extrémité20est alignée dans le prolongement de la première extrémité11et accolée avec elle. De même, la deuxième pièce d’extrémité40est alignée dans le prolongement de la deuxième extrémité12et accolée avec elle. Du fait du soudage bout à bout des pièces entre elles, celles-ci ne se chevauchent pas ni ne se superposent radialement. Au contraire, l’interface de soudure30est contenue dans un plan P1 de soudage, ici perpendiculaire à l’axe de référenceX. De cette manière, la solidarisation entre lesdites pièces est simplifiée, de même que leur conception. En particulier:
- l’interface de soudure30, entre la première extrémité11du corps intermédiaire10et la première pièce d’extrémité20 ,présente une forme annulaire, correspondant sensiblement à la section transversale de la forme tubulaire du corps intermédiaire10, qui vient en contact et en appui contre une paroi plane25de la première pièce d’extrémité20 formant ainsi une interface annulaire de contact30qui forme alors le premier planP1de soudage, après soudage;
- l’interface de soudure30,entre la deuxième extrémité12du corps intermédiaire10et la pièce deuxième d’extrémité40, présente une forme annulaire, correspondant sensiblement à la section transversale de la forme tubulaire du corps intermédiaire10, qui vient en contact et en appui contre une paroi plane25de la deuxième pièce d’extrémité40 formant ainsi une interface annulaire de contact30qui forme alors le deuxième planP2de soudage, ceci une fois que le soudageeffectué.
Autrement dit, chacune des extrémités11,12du corps intermédiaire10comporte une surface d’extrémité31délimitant longitudinalement ledit corps intermédiaire10,ces surfaces d’extrémité31s’étendant radialement, c’est-à-dire dans un plan perpendiculaire à l’axe de référenceX. Les surfaces d’extrémité31sont portées chacune par l’une des extrémités11,12du corps intermédiaire10et présentent une forme annulaire, correspondant sensiblement à la section transversale de la forme tubulaire du corps intermédiaire10, qui est configurée pour venir en contact et en appui contre la paroi plane25de la deuxième pièce d’extrémité40pour former ainsi l’interface annulaire de contact30.
La surface31de l’interface annulaire30de contact de l’une des deux extrémités11,12du corps intermédiaire10tubulaire est positionnée en contact et en appui contre la surface plane25de la pièce d’extrémité20,40correspondante, ces deux surfaces30,25sont positionnées dans même plan puis soudées par résistance, le soudage figeant la liaison des pièces10,20,40dans le plan de soudageP1,P2correspondant. De cette manière, l’interface de contact30correspond, une fois soudée, à l’interface de soudure30.
Ces plans de soudageP1,P2de chacune des première et deuxième pièces d’extrémités20,40avec les première et deuxième extrémités du corps intermédiaire10, respectivement, sont perpendiculaires à l’axe de référenceX.
Une telle conception offre l’avantage de pouvoir offrir un arbre de direction100à partir d’une forme géométrique simple à fabriquer et peu coûteuse, à savoir une forme tubulaire telle qu’une forme cylindrique, et dont une simple découpe transversale à une longueur prédéterminée permet de choisir la longueur dudit corps intermédiaire à la dimension souhaitée, ceci en permettant d’utiliser une pièce d’extrémité au choix assurant une grande modularité de l’arbre de direction100. Par ailleurs, il n’est pas nécessaire d’usiner plus l’extrémité découpée du corps intermédiaire10c’est qui représente une économie substantielle dans la mise en œuvre des étapes de fabrication d’un tel arbre de direction100.
Les figures 2A, 2B et 2C illustrent un arbre de direction100selon un second mode de réalisation. De la même manière que le premier mode de réalisation, ces figures illustrent un arbre de direction100dans lequel:
- une première11des deux extrémités11,12du corps intermédiaire10est métallique et tubulaire, et soudée bout à bout à une première pièce métallique d’extrémité20de l’arbre de direction100, de sorte qu’une interface de soudure30entre la première extrémité11du corps intermédiaire10et la pièce d’extrémité20présente une forme annulaire, l’interface de soudure30étant contenue dans un premier plan P1 de soudage, et ici perpendiculaire à l’axe de référence X;
- une deuxième12des deux extrémités11,12du corps intermédiaire10est métallique et tubulaire, et soudée bout à bout à une deuxième pièce métallique d’extrémité40de sorte qu’une interface de soudure30entre la deuxième extrémité du corps intermédiaire10et la deuxième pièce d’extrémité40présente une forme annulaire et soit contenue dans un deuxième plan de soudageP2, ici perpendiculaire à l’axe de référence X.
Ce deuxième mode de réalisation diffère essentiellement du premier en ce que la première pièce d’extrémité20comporte un embout cannelé24de liaison avec un embout cannelé correspondant d’une mâchoire de cardan21. Une telle pièce d’extrémité20permet l’adaptation d’une pièce complémentaire coopérant de manière amovible sur la première pièce d’extrémité20pour former ensemble un élément d’une mâchoire de cardan21démontable destiné à faciliter l’assemblage de la transmission sur la colonne de direction voir sur le véhicule.
Les figures 3A, 3B et 3C illustrent un arbre de direction100selon un troisième mode de réalisation dans lequel la première pièce d’extrémité20est différente des pièces d’extrémité des premier et deuxième modes de réalisation décrits ci-avant. Dans ce mode de réalisation, la pièce d’extrémité présente un méplat pour venir coopérer avec une forme complémentaire d’un logement d’une pièce qui lui est liée (non illustrée) et assurer une transmission du couple de l’arbre de direction avec cette autre pièce.
Ces trois modes de réalisations illustrent la modularité de l’arbre de direction100étant donné qu’à partir d’un corps intermédiaire10tubulaire, il est possible d’adapter la longueur du corps intermédiaire10à la longueur désirée sans modifier les autres éléments (élément cannelé24ou élément mâchoire21 fixe ou démontable).
La section du corps intermédiaire10est dimensionnée afin de pouvoir transmettre le couple entre les autres pièces reliées à l’arbre de direction, mais optimisée afin d’en limiter le poids.
La figure 4 illustre une vue en coupe d’un corps intermédiaire10selon un mode de réalisation. Le corps intermédiaire10présente un diamètreDconstant sur sa longueur, le long de l’axe de référenceX, et une épaisseurEconstante, égale à environ 1,8mm. Cette épaisseur aux première et deuxième extrémités11,12du tube formant le corps intermédiaire10est toutefois réduite à une épaisseurE’de quelques dixièmes de millimètre (par exemple 0,3mm) en faisant par exemple un chanfrein interne ou externe ou les deux. Dans ce mode de réalisation, sont visibles notamment (voir la figure 5) un chanfrein intérieur13bet un chanfrein extérieur13abordant une surface radiale annulaire formant une interface annulaire de contact30. Une telle diminution d’épaisseurE’permet de limiter au maximum la zone de contact entre les éléments à assembler et d’en augmenter la résistivité, garantissant ainsi le soudage autogène par résistance.
Dans une telle configuration, les chanfreins extérieur13aet intérieur13bprésentent une inclinaison l’un par rapport à l’autre d’un angle environ égale à 90°. De façon plus générale, cet angle est choisi de sorte à présenter un angle supérieur à 45°, de préférence supérieur à 80 degrés, et inférieur à 120 degrés, de préférence inférieur à 100 degrés. Une telle inclinaison présente un bon compromis entre le fait de conserver une paroi structurellement résistante localement au niveau des extrémités11,12du corps intermédiaire10tout en permettant de rattraper l’apparition d’un léger bourrelet qui pourrait apparaître du fait de la compression relative du corps intermédiaire10contre la pièce d’extrémité lors du soudage par résistance.
Le corps intermédiaire10se présente donc sous la forme d’un tube composé d’un diamètre et une épaisseur standard, dont seule la longueur suffit s’adapter aux différents besoins, limitant par conséquent les références produits.
En effet, un procédé de fabrication d’un tel arbre de direction100comporte:
- une étape de découpe d’une partie tubulaire du corps intermédiaire10à une longueur prédéterminée de manière à former la première11des deux extrémités11,12du corps intermédiaire10,
- une étape d’usinage de l’extrémité11,12tubulaire du corps intermédiaire10pour diminuer localement son épaisseur, l’épaisseurE’de l’extrémité tubulaire11,12étant de préférence inférieure à 1mm, et de préférence encore inférieure à 0,5mm, puis,
- une étape de soudage autogène par résistance de la première11des deux extrémités11,12aboutée à la première pièce d’extrémité20et présentant une interface annulaire de contact30avec la première11des deux extrémités, contenue dans le premier plan de soudageP1.
Cette étape de soudage autogène par résistance est mise en œuvre par une application d’un courant entre deux électrodes situées de part et d’autre de la surface annulaire de contact30et une application d’une pression de la pièce d’extrémité20,40aboutée avec l’extrémité11,12associée du corps intermédiaire10, au moins pendant l’application du courant, et de préférence durant une durée supplémentaire après l’application du courant.
En particulier, une fois la pièce d’extrémité20,40aboutée avec l’extrémité11,12associée du corps intermédiaire10, c’est-à-dire qu’une fois que la surface d’extrémité31annulaire correspondante est la surface plane25, pleine ou annulaire, de la pièce d’extrémité associée, sont réunies dans un même plan de contact30, une électrode négative est disposée un diamètre extérieur du corps intermédiaire10tubulaire, dans une zone située au voisinage, au plus proche de la de la surface annulaire de contact30, de préférence dans une zone s’étendant jusqu’à 10 mm de de la surface annulaire de contact30, de préférence au plus 5 mm.
Une électrode positive est disposée contre une surface26de la pièce d’extrémité20,40correspondante. Cette surface26est située de préférence à l’intérieur de la pièce d’extrémité20,40lorsque celle-ci est creuse, et que son espace intérieur est accessible de l’extérieur, comme c’est le cas s’agissant de l’élément de coulisse22 voir la figure 6C), ou de l’élément de mâchoire de cardan21 (voir les figures 7A et 7B). La surface26correspond alors à une surface opposée à la surface plane25de sorte à délimiter ensemble l’épaisseur de la paroi plane qui vient au contact du corps intermédiaire10.
Lorsque la pièce d’extrémité20,40délimite un espace fermé, ou bien que l’accès à la surface opposée à la surface25est difficile, l’électrode positive est disposée contre une surface26’extérieure de ladite pièce d’extrémité (voir la figure 8B).
Le corps intermédiaire10et la pièce d’extrémité20,40correspondante sont mis en contact, puis une grande quantité d’énergie électrique est envoyé à travers les électrodes dans un laps de temps très court.
La faible surface de contact annulaire créée par les extrémités du corps intermédiaire10tubulaire entraîne une forte résistance qui fait chauffer les surfaces par le passage du courant. Au même moment un effort axial est appliqué via l’électrode positive située dans l’élément cannelé. Pour appliquer cet effort axial, la surface26doit présenter au moins une composante radiale. Ceci est le cas de la surface opposée à la surface plane25dont la paroi est dressée orthogonalement par rapport à l’axe de référenceX. Dans le cas où l’électrode positive est appliquée sur une surface extérieure de la pièce d’extrémité20,40concernée, celle-ci présente une saillie radiale27portant la surface26’, cette dernière présentant alors au moins une composante radiale.
L’action combinée de la chauffe et de l’effort axial crée une liaison entre les surfaces31et25.
Dans un second temps par exemple la même liaison est assurée pour souder l’autre pièce d’extrémité à l’autre extrémité du corps intermédiaire10. Une fois les deux liaisons effectuées, l’arbre de direction est assemblé.
Les figures 9A, 9B et 10 illustrent deux autres variantes de réalisations de l’invention. En particulier, les figures 9A et 9B illustrent un arbre de direction100dans lequel la première pièce d’extrémité comporte un élément d’une mâchoire de cardan21tandis que la deuxième pièce d’extrémité comporte un élément de coulisse à billes, qui, à la différence de l’élément de coulisse22à cannelure23, comprend un rail de guidage28à l’intérieur duquel peuvent être logées des billes (non illustrées) pour limiter les frottements.
La figure 10 illustre un mode de réalisation dans lequel les deux pièces d’extrémités20,40comprennent chacune un élément d’une mâchoire de cardan21,les mâchoires étant disposées avec une orientation angulaire de 90 degrés l’une par rapport à l’autre.
Les figures 11A et 11B illustrent des vues en perspective et en coupe axiale d’un arbre de direction selon un autre mode de réalisation. Celui-ci diffère essentiellement du mode de réalisation illustré sur les figures 2A, 2B et 2C en ce que l’arbre de direction100comprend une pièce tubulaire secondaire10’interposée axialement entre:
- la première pièce d’extrémité20comportant un embout cannelé24de liaison avec un embout cannelé correspondant d’une mâchoire de cardan21; et
- une pièce tubulaire principale10’’du corps intermédiaire10, soudée également à la deuxième pièce d’extrémité40 ,laquelle comporte un élément de coulisse22destiné à être relié avec un axe intermédiaire de la colonne de direction.
Dans ce mode de réalisation, la pièce tubulaire secondaire10’correspond à une pièce additionnelle de plus grande dimension, notamment de plus grand diamètre extérieur, que la pièce tubulaire principale10’’du corps intermédiaire10(mais qui pourrait également être de plus petite dimension), ceci permettant l’adaptation de différents types d’interfaces de pièces d’extrémité de l’arbre de colonne de direction. De cette manière, il suffit d’usiner la pièce tubulaire principale10’’corps intermédiaire10à la bonne longueur pour correspondre au besoin. La pièce tubulaire secondaire10’est soudée bout à bout d’un côté à l’une de ses extrémités, à la pièce tubulaire principale10’’par soudage autogène par résistance, de la même manière qu’une pièce d’extrémité mais à l’extrémité de la pièce tubulaire principale10’’, l’interface de soudure30étant contenue dans un plan intermédiaireP1’de soudage perpendiculaire à l’axe de référenceX. La pièce tubulaire secondaire10’du corps intermédiaire10est soudée de l’autre côté, à l’autre de ses extrémités, à la première pièce d’extrémité20par soudage autogène par résistance, l’interface de soudure30étant contenue dans le premier planP1de soudage perpendiculaire à l’axe de référenceX.
La pièce tubulaire secondaire10’a une fonction d’adaptateur pour utiliser un même corps tubulaire de la pièce tubulaire principale avec un diamètre commun pour différents arbres de direction, tout en pouvant y souder à ses extrémités des pièces d’extrémités avec des interfaces très variées.
Les figures 12A et 12B illustrent des vues en perspective et en coupe axiale d’un arbre de direction selon un autre mode de réalisation. Celui-ci diffère essentiellement du mode de réalisation illustré sur les figures 1 et 2, en ce que la deuxième pièce d’extrémité40comporte un embout cannelé29’de liaison avec un embout cannelé29’’correspondant d’un élément de filtration29de vibrations. Cette deuxième pièce d’extrémité40s’étend axialement jusqu’à une extrémité opposée comportant un élément de coulisse22destiné à être relié avec un axe intermédiaire de la colonne de direction. L’élément de filtration des vibrations29permet de filtrer les vibrations de la route pour éviter de les transmettre dans le volant. Un moyen d’emmagasinement d’énergie29eest interposé entre les deux embouts cannelés29’,29’’de liaison pour absorber les vibrations entre les deux pièces. La raideur du moyen d’emmagasinement d’énergie29e, ou amortisseur, est choisie de sorte à être suffisamment faible pour absorber les vibrations, mais suffisamment important pour éviter toute course morte dans la commande de la direction par l’utilisateur et garantir ainsi la précision de la direction.
De manière générale, un tel arbre de direction100modulaire peut être utilisé sur la partie supérieure de la colonne de direction ainsi que sur la partie inférieure de la colonne de direction (axe intermédiaire).
Lorsque l’arbre de direction100est situé sur la partie supérieure, celui-ci a pour fonctionsde :
- transmettre la rotation de l’axe volant à la partie inférieure de la colonne de direction (axe intermédiaire);
- coulisser à l’intérieur de l’axe volant en cas de réglage de la position de la colonne de direction (réglage de la position du volant) ou en cas de crash;
- s’interfacer avec le roulement inférieur de la colonne de direction
- s’interfacer avec la partie inférieure de la colonne de direction (axe intermédiaire) qui peut être une liaison démontable ou non-démontable (par exemple une connexion avec un cardan);
- s’adapter aux différentes longueurs souhaitées.
Lorsque l’arbre de direction100est situé sur la partie inférieure de la colonne de direction (axe intermédiaire) celui-ci a pour fonctionsde :
- transmettre la rotation de l’axe volant à la partie inférieure de la colonne de direction (axe intermédiaire)
- coulisser à l’intérieur du tube de l’axe intermédiaire, afin d’absorber les mouvements relatifs entre un châssis et une caisse du véhicule, en cas de réglage de la position de la partie haute de la colonne de direction (réglage de la position du volant), ou en cas de crash.
- s’interfacer avec le cardan de l’axe intermédiaire.
- s’adapter aux différentes longueurs souhaitées.
Par ailleurs, l’arbre de direction100selon l’invention permet une grande modularité et ainsi, pour chaque nouveau produit, il est possible d’utiliser des modules prédéveloppés et pré-industrialisés qui seront assemblés entre eux.
Un autre avantage d’un tel arbre de direction100est que son procédé de fabrication, normalement incompatible du fait notamment de la géométrie des pièces utilisées en particulier au niveau des interfaces vis-à-vis de la section tubulaire du corps intermédiaire10, permet alors un dimensionnement au plus juste besoin d’épaisseur du corps intermédiaire10de l’arbre de direction100, et non pour répondre aux besoins du processus de fabrication.
Un tel procédé d‘assemblage est rapide et ne nécessite pas de déplacement de matière, la soudure étant autogène, permettant ainsi d’avoir un temps de cycle faible par rapport au temps de cycle actuel.
Un tel arbre de direction100permet en outre de découpler les différentes fonctions du produit par zone, et ainsi créer des composants standards par fonction et d’autres paramétrables en fonction des différents besoins des projets, comme la longueurLdu corps intermédiaire.
L’arbre de direction selon l’invention offre donc:
- une modularité sur la longueurL, puisqu’il suffit de modifier simplement la longueur du corps intermédiaire10,
- une modularité sur les pièces d’extrémités20,40qui peuvent être variées sans modifier substantiellement le procédé de fabrication, et
- une modularité liée à l’architecture de la colonne de direction, puisque chacun des axes d’une colonne de direction peut être formé par un tel arbre de direction10.
Naturellement, l’invention est décrite dans ce qui précède à titre d’exemple. Il est entendu que l’homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l’invention sans pour autant sortir du cadre de l’invention.
Par exemple, la pièce d’extrémité peut être une partie d’un ensemble mécanique plus complexe de sorte qu’elle peut consister en une pièce de cet ensemble. La pièce d’extrémité peut aussi consister en une simple interface métallique d’une pièce, métallique ou non.
Par ailleurs, il peut être prévu d’utiliser un corps intermédiaire non intégralement tubulaire. Dans ce cas, il comporte au moins un tronçon tubulaire dont la découpe est prévue pour permettre une modularité de sa longueur, cette modularité étant toutefois relative et dépendant de la longueur non tubulaire. Par ailleurs, il peut également être prévu l’ajout d’inserts venant se loger dans l’espace intérieur du corps intermédiaire tubulaire, dans le cas où il est souhaité renforcer la structure tubulaire pour des applications spécifiques, tout en conservant l’avantage de fabriquer un corps intermédiaire d’une forme simplifiée telle qu’une forme cylindrique par exemple.
Claims (13)
- Arbre de direction (100) pour une colonne de direction de véhicule tel qu’un véhicule automobile, l’arbre de direction (100) comportant un corps intermédiaire (10) au moins en partie tubulaire s’étendant axialement suivant un axe de référence (X) entre deux extrémités (11, 12), l’arbre de direction (100) étant caractérisé en ce qu’au moins une première (11) des deux extrémités (11, 12) du corps intermédiaire (10) est métallique et tubulaire, et soudée bout à bout à une première pièce métallique d’extrémité (20) de l’arbre de direction (100), de sorte qu’une interface de soudure (30) entre la première extrémité (11) du corps intermédiaire (10) et la pièce d’extrémité (20) présente une forme annulaire, l’interface de soudure (30) étant contenue dans un premier plan (P1) de soudage, de préférence perpendiculaire à l’axe de référence (X).
- Arbre de direction (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps intermédiaire (10) de l’arbre de direction (100) est formé monobloc et, de préférence, tubulaire continûment sur toute sa longueur, entre ses deux extrémités (11, 12).
- Arbre de direction (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps intermédiaire (10) est entièrement tubulaire et présente une épaisseur (E) constante sur toute sa longueur, entre ses deux extrémités (11, 12).
- Arbre de direction (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’une deuxième (12) des deux extrémités (11, 12) du corps intermédiaire (10) est métallique et tubulaire, et soudée bout à bout à une deuxième pièce métallique d’extrémité (40) de sorte qu’une interface de soudure (30) entre la deuxième extrémité du corps intermédiaire (10) et la deuxième pièce d’extrémité (40) présente une forme annulaire et soit contenue dans un deuxième plan de soudage (P2), de préférence étant perpendiculaire à l’axe de référence (X).
- Arbre de direction (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps intermédiaire (10) et la ou les pièce(s) d’extrémité(s) (20, 40) soudées audit corps intermédiaire (10) sont formés en matériau(x) métallique(s) identique(s).
- Arbre de direction (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première pièce d’extrémité (20) comporte un élément d’une mâchoire de cardan (21).
- Arbre de direction (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première pièce d’extrémité (20) comporte un élément de coulisse (22) destiné à être relié avec un axe intermédiaire de la colonne de direction.
- Arbre de direction (100) selon la revendication 7, caractérisé en ce que l’élément de coulisse (22) présente de cannelure (23) dont des fonds (231) sont situés radialement à l'extérieur de l’extrémité tubulaire (11, 12) et de l’interface de soudure (30).
- Arbre de direction (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première pièce d’extrémité (20) comporte un embout cannelé (24) de liaison avec un embout cannelé correspondant d’une mâchoire de cardan (21).
- Procédé de fabrication d’un arbre de direction (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de découpe d’une partie tubulaire du corps intermédiaire (10) à une longueur prédéterminée de manière à former la première (11) des deux extrémités (11, 12) du corps intermédiaire (10), et une étape de soudage autogène par résistance de la première (11) des deux extrémités (11, 12) aboutée à la première pièce d’extrémité (20) et présentant une interface annulaire (30) de contact avec la première (11) des deux extrémités, contenue dans le premier plan de soudage (P1).
- Procédé de fabrication la revendication 10, caractérisé en ce que la première pièce d’extrémité (20) présente une face plane (25) située dans le premier plan (P1) de soudage et constituant l’interface annulaire de contact (30).
- Procédé de fabrication selon la revendication 10 ou la revendication 11, caractérisé en ce que l’étape de soudage autogène par résistance comporte une application d’un courant entre deux électrodes situées de part et d’autre de la surface annulaire de contact (30) et une application d’une pression de la pièce d’extrémité (20, 40) aboutée avec l’extrémité (11, 12) associée du corps intermédiaire (10), au moins pendant l’application du courant, et de préférence durant une durée supplémentaire après l’application du courant.
- Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu’avant l’étape de soudage, le procédé comporte une étape d’usinage de l’extrémité (11, 12) tubulaire du corps intermédiaire (10) pour diminuer localement son épaisseur (E), par exemple par l’usinage d’un chanfrein (13) interne et/ou externe, l’épaisseur (E) de l’extrémité tubulaire (11, 12) étant de préférence inférieure à 1mm, et de préférence encore inférieure à 0,5mm.
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