5.1 FONCTIONNEMENT GÉNÉRAL DES ARBRES DE TRANSMISSION

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2 CHAPITRE 5 Le dispositif qui assure le fonctionnement optimal de l arbre de se compose de fourches et de divers joints. Il en existe nécessairement au moins deux, soit un à chacune des extrémités de l arbre. D autre part, l exigence de recourir à des joints résulte notamment de la différence de niveau entre la boîte de vitesses et le pont arrière. Cette différence crée des angles entre l arbre et la sortie de la boîte de vitesses et entre l arbre et le pont arrière. Ces angles ont un effet sur la vitesse, comme vous le verrez plus loin. Le montage de l arbre de peut s effectuer de deux façons : par tube de poussée et Hotchkiss. TRANSMISSION PAR TUBE DE POUSSÉE La par tube de poussée (figure 5.1) se compose de deux principaux éléments : une enveloppe extérieure rigide, appelée tube-carter, dont l une des extrémités est appuyée sur le carter de la boîte de vitesses, et l autre, fixée au boîtier du pont arrière; un arbre de interne ne comptant qu un joint à l extrémité de la boîte de vitesses. Ce joint n autorise aucun écart longitudinal au tube; seul le déplacement vertical est possible. Figure 5.1 Transmission par tube de poussée Carter de la boîte de vitesses la boîte de vitesse Joint universel à bille Tube de poussée La propulsion du véhicule se transmet des roues au boîtier du pont arrière, au tube de poussée et à l ensemble moteur-boîte. De là, les supports de l ensemble dirigent la poussée au châssis ou à la carrosserie selon le type de construction du véhicule. La propulsion se transmet donc aussi à la partie avant du véhicule. Ce montage élimine la torsion du pont arrière, appelée couple de cabrage. Le couple de cabrage provient de la réaction du pont arrière à l effort transmis aux roues motrices. Ce type d arbre de est pratiquement disparu du marché. TRANSMISSION HOTCHKISS L arbre d une Hotchkiss (figure 5.2) comporte au moins un joint à chacune de ses extrémités. Selon les véhicules, l arbre peut être constitué d une ou de plusieurs sections. Le boîtier du pont arrière est généralement maintenu dans une position telle que l arbre de et la bride d accouplement au pont ne sont pas parfaitement alignés. Cette caractéristique exige l utilisation d un joint à l extrémité de l arbre reliée au pont arrière. La propulsion du véhicule se transmet du boîtier du pont arrière aux ressorts ou aux bras de la suspension arrière et, finalement, au châssis ou à la carrosserie. Figure 5.2 Transmission Hotchkiss Pont arrière Boîte de vitesses Module 15 Mécanique automobile 5.3

3 CHAPITRE 5 COMPOSANTS D UN ARBRE DE TRANSMISSION D UN VÉHICULE À PROPULSION Compte tenu de la disparition de la par tube de poussée, nous nous limiterons à l étude de l arbre de Hotchkiss. Cet arbre de comprend : un tube comptant une fourche soudée à chacune de ses extrémités; un joint coulissant; un joint universel avant, nommé joint de cardan; un joint universel arrière, aussi nommé joint de cardan; deux boulons ou deux brides en U, appelés aussi étriers. Tube d acier La partie centrale de l arbre est habituellement constituée d un tube d acier; les arbres creux sont plus légers. La conception du véhicule détermine l utilisation d un arbre de plus d une section, donc comptant un ou plusieurs tubes. Lorsque l arbre compte plus d une section, il est nécessaire d installer un palier intermédiaire, renfermant un roulement étanche, fixé à la carrosserie pour supporter une partie de l arbre. Aux extrémités de ce ou de ces tubes d acier, on soude des fourches destinées à recevoir les croisillons des joints (figure 5.3). Figure 5.3 Vue éclatée d un arbre de (General Motors) Bride (strap) Bride d'accouplement au flasque Roulement Anneau de blocage Croisillon Joint coulissante 5.4 Mécanique automobile Module 15

4 CHAPITRE 5 Pour réduire le bruit, les arbres de de certains modèles de véhicules sont formés de tubes concentriques et d éléments de caoutchouc. Les anneaux de caoutchouc sont fortement comprimés entre les deux tubes d acier (figure 5.4). Joint coulissant Figure 5.4 Arbre à éléments de caoutchouc (Ford) Rôle Pour les véhicules à propulsion, l ensemble moteur-boîte est fixé à l avant du châssis et le pont arrière oscille au gré des irrégularités de la route. En plus de causer des variations d angle, cet arrangement amène aussi des changements de distance entre l ensemble moteur-boîte et le pont arrière. Le dispositif chargé de corriger ces fluctuations se nomme joint coulissant. Il est formé d une fourche à cannelures internes en prise avec un arbre à cannelures externes (figure 5.5). Figure 5.5 Joint coulissant (Ford) Fonctionnement Selon les besoins, les cannelures de la fourche coulissent sur les cannelures de l arbre. La partie extérieure est polie et glisse sur un joint d étanchéité fixé sur le carter arrière de la boîte de vitesses. Un joint d étanchéité prévient les fuites d huile. Parfois, on ajoute un joint torique sur l arbre de la automatique pour éviter que du fluide à ne vienne en contact avec les cannelures. Ce fluide ne répond pas aux exigences de lubrification des joints coulissants. La fourchette coulissante de ce type de joint est supportée par un coussinet situé dans le carter arrière de la boîte de vitesses. Module 15 Mécanique automobile 5.5

5 CHAPITRE 5 Joint universel simple Construction Le joint universel simple est un dispositif inventé par J. Cardan 1, ce qui explique son appellation de joint de cardan ou simplement cardan; il est constitué des éléments suivants : deux fourches, un croisillon (figure 5.6), quatre douilles et quatre joints d étanchéité. Chaque fourche est fixée à l extrémité des arbres à réunir. Un croisillon, de la forme d une croix à quatre branches égales, unit les deux fourches perpendiculairement. La dimension du croisillon et le diamètre des douilles sont déterminés en fonction de l importance du couple qu ils transmettent. La longueur se mesure à l extérieur des fourches (figure 5.7). Les douilles renferment des roulements à aiguilles permettant le pivotement libre du croisillon. Le diamètre extérieur des douilles est déterminé de façon à obtenir leur insertion par pression dans les alésages des fourches. Selon le mode de blocage adopté, la douille peut comporter une rainure ou un bossage (figure 5.8). Des Figure 5.6 Croisillon (General Motors) Anneau de blocage Douille Figure 5.7 Aiguilles Joint d'étanchéité Point de mesurage de la longueur du croisillon (Ford) joints d étanchéité insérés sur chacune des douilles empêchent l expulsion de la graisse et la pénétration de l eau et des poussières. La détérioration de ces joints risque de provoquer l usure prématurée des roulements. Des anneaux de blocage ou des anneaux de plastique injecté sont utilisés pour fixer et centrer les roulements. Figure 5.8 Formes de douilles (Ford) Figure 5.9 Dispositifs de blocage des douilles (Ford) Croisillon Fonctionnement Le croisillon reçoit le couple de la fourche fixée à l arbre menant et le transmet à la fourche montée sur l arbre mené. La différence d angle entre l arbre menant et l arbre mené provoque l accélération puis une décélération à chaque demi-tour de l arbre mené. Les variations sont d autant plus importantes que l angle entre l arbre menant et l arbre mené est important. 1. Cardan, Jérôme ( ). Mathématicien, médecin et philosophe italien, on lui doit notamment l invention du dispositif nommé joint de cardan. 5.6 Mécanique automobile Module 15

6 CHAPITRE 5 À titre d exemple, pour un angle de 4, le changement de vélocité atteint 0,5 %; pour un angle de 10, il passe à 3 %. Analysons les changements de vélocité pour un angle de 30 entre la fourche et l arbre. Lorsque la fourche tourne à 1000 tr/min, la vitesse de rotation de l arbre fluctue de 866 tr/min à 1155 tr/min pour un quart de tour et décélère de 1155 tr/min à 866 tr/min pour le quart de tour suivant. Cette raison justifie l impossibilité d utiliser un arbre muni d un seul joint universel simple si l angle dépasse 3 ou 4. Figure 5.10 Tableau des fluctuations de la vitesse (Ford) L élimination partielle de ce problème pour un arbre d une seule section s effectue par le montage d un joint universel simple à chaque extrémité. Les deux fourches de l arbre doivent toujours être montées sur un même plan, montage communément appelé en phase (figure 5.11). Figure 5.11 Joints universels montés en phase Arbre d'accouplement et palier intermédiaire Arbre d'entraînement et fourche coulissante Joints universels montés en phase Module 15 Mécanique automobile 5.7

7 CHAPITRE 5 L accélération du premier joint correspond au ralentissement subi par le second et viceversa. Le mouvement à la sortie du second joint est redevenu régulier. Ce résultat s obtient à la condition que les deux joints fonctionnent à des angles similaires. Toutefois, même si le mouvement à la sortie est régulier, les fluctuations de la vélocité de l arbre risquent de provoquer des vibrations non désirées. La correction complète de ce problème s obtient par le montage d un deuxième joint universel immédiatement à la suite du premier. Cet arrangement produit ce que l on nomme un joint de cardan double ou homocinétique. Figure 5.12 Joint de cardan double ou homocinétique (General Motors) Siège Ressort Bille Joint centrale Bague Cavité de lubrification Joint homocinétique Construction Bien qu en principe, un joint homocinétique ne nécessite que le montage de deux joints universels simples, la pratique exige toutefois un arrangement plus complexe. L ensemble est formé de deux joints universels simples, d une fourche centrale et d une rotule. La rotule est composée d un ressort, d une bille solidaire d un joint et d une cuvette solidaire du second joint. Fonctionnement L accélération du premier joint universel correspond à la décélération du second. Les fluctuations de vitesse s annulent et, à la sortie du deuxième joint, le mouvement est maintenant constant. Cependant, pour obtenir ce résultat, les deux joints doivent fonctionner à des angles identiques. 1, 2, 3 et 4 : Roulements Figure 5.13 Vue éclatée d un joint homocinétique (General Motors) Bille Joint remplaçable 3 sièges (bille) Ressort 5.8 Mécanique automobile Module 15

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