Eléments techniques de base sur les joints à billes.

Développements théoriques divers et variés

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Normand 1400
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Eléments techniques de base sur les joints à billes.

Message non lu par Normand 1400 »

Bonjour à tous,

cet article a pour but d’apporter une connaissance minimale facilitant un bon usage d’un joint à billes ainsi que son entretien et son contrôle. Il complète également cet article : http://www.landroverfaq.com/viewtopic.php?t=1541

1°) Aspects théoriques


Les joints à billes font partie des joints homocinétiques, dont la définition générale peut être la suivante : on appelle joint homocinétique un système permettant de transmettre un mouvement de rotation, d’un arbre menant à un arbre mené, sans décalage angulaire quel que soit l’angle de brisure entre ces deux arbres et quelle que soit la variation de celui-ci.

De cette définition générique découle une application concrète : le plan bissecteur.
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Cette planche traduit tout simplement le fait que deux arbres, quel que soit l’angle de brisure (braquage) vont tourner à la même vitesse quand les pivots qui les réunissent restent dans le même plan. Ce plan est appelé plan bissecteur ou plan de symétrie.

Les segments AO et OA’ représentent les arbres. O est le point où les arbres percent le plan bissecteur.

La courbe C représente la courbe dite de conduite du joint (je vais y revenir) qui coupe le plan bissecteur en M. En réalité, sur nos joints à billes, cette courbe de conduite est matérialisée par le fond des pistes du bol et de la noix (cf. définitions ci-après), là où roulent les billes.

Remarque : ce plan bissecteur contient toutes les billes d’un joint. Pour un arbre de transmission comportant deux joints de cardan, le plan bissecteur est situé au milieu de l’arbre lui même. D’où l’importance du positionnement des mâchoires (ou fourches) qui fait actuellement l’objet d’une autre discussion sur le présent forum. Un mauvais positionnement des mâchoires provoque un décalage du plan bissecteur ; la transmission n’est plus homocinétique et des vibrations pouvant entraîner la rupture de l’arbre ou des croisillons (voire de la boîte de transfert) sont à redouter.
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2°) Fonctionnalités du joint


Sur les transmissions des Land 90, 110 et assimilés, le montage utilisé est un Rzeppa
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.

Le bol comporte des pistes dont les axes, qui forment les courbes de conduite du joint, sont régulièrement espacés. Le bol est relié, soit en un seul bloc (90/110 300 Tdi), soit au moyen de cannelures, comme sur les Range V8, à l’arbre entraînant la main meneuse.

La noix joue le même rôle que le bol, mais pour l’autre arbre.

Les billes assurent la liaison entre bol et noix. Elles sont généralement au nombre de 6. C’est l’optimum matière/résistance mécanique.

Et enfin la cage.

Elle assure 4 fonctions totalement distinctes :

a) elle se comporte comme une rotule assurant, en toutes circonstances, la coïncidence des arbres menant et mené,

b) elle assure le positionnement axial correct des arbres, d’où l’importance, sur les 300 Tdi et dérivés, du respect du jeu longitudinal préconisé, à contrôler impérativement lors d’un changement du joint papier sous main meneuse (voir article du Pater sur le remplacement des roulements des moyeux avant),

c) elle reprend le moment fléchissant dû au braquage (voir également article du Pater à ce sujet : http://www.landroverfaq.com/viewtopic.php?t=204 qui en précise la grandeur algébrique). Ce moment fléchissant fait apparaître un effort supplémentaire dans l’arbre reliant le joint à la main meneuse ; c’est ce qui explique que son diamètre soit plus important.
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Pour sentir intuitivement à quoi ressemble cet effort parasite, imaginez un arbre soumis à un effort de torsion. Si vous le coudez progressivement, vous obtenez alors un “L”. Plus le coude est prononcé, plus votre arbre coudé va fonctionner comme un levier. D’un côté un moment de torsion qui tend à vriller la branche du L formant arbre et de l’autre un effort qui tend à faire fléchir l’autre branche du L formant levier...

Cet effort parasite tend à écraser notre cage entre noix et bol. Ce phénomène est d’importance en cas de lubrification défaillante et j’y reviendrai tout à l’heure.

La planche suivante permet de distinguer la courbe de conduite et la surface de rotulage du bol. La demande en lubrifiant se concentre sur les surfaces de rotulage situées d’une part entre bol et cage et d’autre part entre cage et noix.
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d) enfin notre cage maintient les billes dans le plan bissecteur et reprend les efforts de poussée axiale des billes générés par la géométrie des pistes (à ne pas confondre avec les efforts radiaux qu’exercent ces mêmes billes en transmettant le couple moteur de la noix au bol).

3°) Cinématique d’un Rzeppa

En théorie, la géométrie des pistes devrait maintenir les billes dans le plan bissecteur. Mais, lors de la construction des premiers Rzeppa, il s’est avéré que billes et cage pouvaient prendre, lors d’un braquage nul ou très faible, une position indéterminée. Il s’ensuivait un blocage du joint lors d’un braquage rapide, donc sa destruction immédiate.
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Diverses solutions ont été imaginées pour obliger cage et billes à s’inscrire en permanence dans le plan bissecteur.

Notons simplement que le montage retenu sur nos engins est du type “à commande par les pistes”.

Je passe rapidement sur ces notions qui réclament, pour être assimilées, une certaine habitude de la géométrie en 3 dimensions. Retenons simplement que le positionnement est obtenu, pour les billes situées en A, par l’excentration des courbes de conduite des pistes et pour celles situées en B, par le croisement de ces pistes.

Chaque couple de billes passe, de manière cyclique, sous l’effet du mouvement tournant, de la situation A à la situation B.
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On a ainsi la garantie que billes et pistes restent coplanaires quel que soit l’angle de brisure du joint tout en s’inscrivant constamment dans le plan bissecteur.

Pour les plus coriaces d’entre vous, voici deux petites épures à ronger...

Ces épures donnent la géométrie du joint dans le plan des arbres.
Image
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g et h représentent les courbes de conduite du joint

m le centre de la bille

R représente le rayon médian de la cage, R1 et R2 les centres des courbes de conduite de la noix et du bol.

Bien sûr le système, en tournant sur lui même, fait varier deux fois par tour la position de tout ce petit monde entre 0 et l’angle de brisure.

4°) Technologie


Le bol est en acier forgé traité par induction. Les surfaces de rotulage et les pistes sont rectifiées.

La noix est usinée, cémentée, trempée puis rectifiée.

Les duretés des pistes sont supérieures ou égales à 60 HRC (kif kif roulements).

La cage est réalisée par poinçonnage d’une ébauche tubulaire. Elle est cémentée et trempée ; sa résilience (résistance aux chocs) est élevée.

5°) Avaries possibles

Elles auraient, mais cela n’engage que moi, trois origines.

La première est imputable à un dépassement de la résistance structurelle du joint. C’est le cas présenté par Renard Bleu. Tout effort surchargeant l’avant du véhicule (cette notion renvoie au poids porté par le pont avant) telles une reprise d’adhérence, une marche arrière violente (c’est pire encore quand le véhicule a le nez en bas) conduit à ce résultat.

Et ce d’autant plus que l’angle de braquage est important. Car dans ce cas, la poussée au vide exercée par les billes sur la périphérie du bol est importante et se cumule avec l’effort parasite mentionné ci-dessus, qui tend lui aussi à exercer une poussée sur le bol et la noix.

Selon la résistance des pièces, soit le bol éclate, soit la noix se fend.

La démonstration de ce qui précède dépasse le cadre de ce papier ; elle renvoie à la question de la maîtrise correcte par le pilote des transferts de poids entre les essieux. Même si cette observation doit déclencher une polémique, je rappelle ce que j’ai déjà dit par ailleurs à ce sujet : bien que les transmissions des Land soient réputées fragiles comparées à celles des véhicules japonais, il n’existe pas de solution mécanique miracle permettant à un pont avant de résister à tous les efforts possibles et imaginables, en particulier les reprises d’adhérence.

Les solutions techniques adoptées me semblent parfaitement rationnelles et leurs performances dépassent très largement les exigences d’une majorité d’utilisateurs.

C’est donc au pilote d’identifier les situations à risque et de les gérer. Tout, dans la conception des Land, montre que ces véhicules s’adressent par principe à des spécialistes et non à des utilisateurs ignorant tout des subtilités de la conduite en terrain difficile.

La deuxième est imputable à une mauvaise lubrification du joint. La planche ci-après expose l’importance du travail mécanique réalisé par un joint.
Image
On constate l’importance jouée par le lubrifiant qui intervient, non pas prioritairement pour lubrifier les billes, mais pour faciliter le “rotulage” de la cage, dont c’est d’ailleurs la fonction principale.

Une lubrification insuffisante, ou de mauvaise qualité, va provoquer rapidement un échauffement du joint puis son grippage.

Comme on l'a vu tout à l'heure, lors d’un braquage important et sous couple moteur élevé, la cage est coincée entre le bol et la noix par un effort parasite dû au braquage. Si la lubrification est mauvaise, la cage ne va pas pouvoir pas rotuler correctement. Les billes, soumises à la double action de l’excentration et du croisement des axes de pistes, vont alors forcer la cage à basculer. Si celle-ci résiste, elle finit par se rompre par fatigue aux endroits où la poussée est la plus forte.

Donc aux endroits indiqués par Fred.

Ce qui explique qu’un véhicule “jamais TT” (mais surtout jamais entretenu) puisse casser un joint en se garant sur un parking de supermarché...

Plus sérieusement; les véhicules circulant en permanence sur des routes de montagne (pas besoin d’aller chercher du TT hard) dont les joints sont soumis en permanence à des angles de braquage et à des couples élevés, doivent par conséquent faire l’objet d’un entretien soigné.

En ce qui me concerne, je n’ai qu’une confiance toute relative dans les nouveaux montages, dits “graissés à vie”. Je reste fidèle à la 80/90 remplacée tous les 20 à 30 000 km et je considère que la solution adoptée par Land Rover à cette époque pour lubrifier ses joints était de très loin la meilleure. L’évolution a probablement pour but d’alléger l’entretien et de réduire les fuites, très fréquentes avec l’ancien système.

Il suffirait pourtant que les sphères soient protégées de série par des soufflets comme sur les Land Commando...

Pour la petite histoire, notons enfin que la non généralisation des joints à billes sur les arbres de transmission longitudinaux est précisément due à ce problème d’échauffement actuellement encore non résolu. En effet, ce montage fait travailler en permanence les joints sous angle élevé ; la quantité de chaleur dégagée est considérable et le joint ne tient pas en endurance.

Dernière cause d’avarie : un démontage remontage défectueux.

Dans la mesure où le joint comporte 6 billes (géométriquement, deux suffiraient) le joint est dit hyperstatique intérieurement.

Il est donc absolument capital, lors d’un démontage remontage, de repérer minutieusement la position respective de toutes les pièces. Dans le cas contraire, on court le risque de voir le couple moteur se répartir, non pas sur les 6 billes, mais concentré sur deux ou trois. On imagine bien que, dans ces conditions, la fissuration du bol ou de la noix va se produire assez rapidement.

Un contrôle des joints digne de ce nom impose un démontage complet qui seul, permet de diagnostiquer une cage rayée ou ovalisée, des billes ou des pistes marquées et/ou écaillées ainsi qu’une noix ou un bol fissurés.

Enfin, un joint présentant du jeu n’est pas nécessairement à remplacer, tout et autant que ce jeu soit régulièrement réparti.
dominic violon
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Merci pour cette belle note

Message non lu par dominic violon »

que jai lue avec grand plaisir et que j'ai copiée en local pour la relire avec d'autant plus d'intérêt que je ne voyais pas du tout le détail du montage au niveau du bol.

Un grand merci


Dominique
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bisnouk
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Message non lu par bisnouk »

C'est bien ce que je disais..... voila un des puristes de la FAQ :D

J'ai pas compris grand chose.... faut dire aussi que j'ai pas fait d'effort non plus :oops:

Mais merci pour ce post pour le moins fouillé :D

N'empêche que ça résoud pas mon problème de joint CV à remplacer uniquement parce que les cannelures des arbres courts sont quasi mortes au niveau des mains meneuses :x
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jean-yves 26
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Message non lu par jean-yves 26 »

voilà un sujet d'excellente qualité, merci Normand 1400.

de ce faite, vais me replonger dans mes cours de base de l'époque, complément indispensable pour une parfaite compréhension de cette article passionnant et pointu.
jean-yves 26
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Pat à caisse
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Message non lu par Pat à caisse »

Salut,

Tout pareil à savoir respect, archivage perso et bien sûr remerciements.

Y a plus qu'à s'en imprégner et comprendre.

Patrick :wink:
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jerome38
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Re: Eléments techniques de base sur les joints à billes.

Message non lu par jerome38 »

Normand 1400 a écrit : C’est donc au pilote d’identifier les situations à risque et de les gérer. Tout, dans la conception des Land, montre que ces véhicules s’adressent par principe à des spécialistes et non à des utilisateurs ignorant tout des subtilités de la conduite en terrain difficile.
j'adore ce passage, vraiment. S'il n'y avait pas de risque de copyright :mrgreen: , je le mettrais en signature sur un autre forum multi-marque... :mrgreen:
Bon allez je vais potasser le reste !
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Frédéric_Dept79
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Re: Eléments techniques de base sur les joints à billes.

Message non lu par Frédéric_Dept79 »

jerome38 a écrit :
Normand 1400 a écrit : C’est donc au pilote d’identifier les situations à risque et de les gérer. Tout, dans la conception des Land, montre que ces véhicules s’adressent par principe à des spécialistes et non à des utilisateurs ignorant tout des subtilités de la conduite en terrain difficile.
j'adore ce passage, vraiment. S'il n'y avait pas de risque de copyright :mrgreen: , je le mettrais en signature sur un autre forum multi-marque... :mrgreen:
Bon allez je vais potasser le reste !
J'aime beaucuop aussi :lol: tellement vrai
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Mauresque
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Message non lu par Mauresque »

Merci Normand1400 pour ton exposé ;)
Modifié en dernier par Mauresque le 24/07/2007 9:45, modifié 1 fois.
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Gabrielle
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Message non lu par Gabrielle »

Salut,

J'ai passé le week end le nez dans un dico pour decoder tous les mots que je ne connais pas. :lol:

Plus serieusement, un grand merci pour cet exposé. Ca doit pas etre evident de passer un sujet comme ca à travers un clavier.

Comme les amis, j'ai aussi bien aimé le passage exclusif Land. :wink:

Par contre, j'avais jamais essayé de desassembler les morceaux du bestiau. Le prochain que j'ai entre les mains, il y a droit....
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Frédéric_Dept79
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Message non lu par Frédéric_Dept79 »

Moi le seul truc qui m'inquiète c'est dans le titre du sujet "Elements techniques de base" :shock: je redoute le pire si on s'éloigne des concepts de base :lol:

Sinon super article, bien à sa place dans la rubrique théorie, ca m'a permis de voir que, sans jamais avoir lu quoique ce soit sur la théorie des joints à bille, je n'avais pas si mal compris visuellement le fonctionnement du truc. :)
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Normand 1400
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Message non lu par Normand 1400 »

Quelques remarques et questions :

sur la "branlette" : des propos cinglants de ce type sont un peu regrettables en effet. Je pense, Mau, que ta décision est sage car, quelque part, il y va de la cohésion de la communauté qui nourrit ce forum...

Mais nous savons aussi, les uns et les autres, qu'une telle attitude traduit souvent des rapports anciens et souvent un peu "difficiles" avec l'académisme et la pédagogie chers à notre notre bonne école de la République... :twisted:

Ce débat cols bleus cols blancs n'a aucun sens pour moi ; mais je sais bien qu'il n'est pas facile de créer un lien dynamique entre l'approche théorique, le bidouillage mécanique à la tonton cambouis et le pilotage. C'est pourtant ce que j'essaie de faire. De la sorte, on acquiert une logique et des réflexes de portée générale qui permettent à tout un chacun de faire face à des situations très diverses.

Sur le terme d'éléments "de base" : ben oui, mon papier reste malgré tout très général, basique...

J'ai été amené à creuser plus avant cette question des joints à la suite de nos échanges avec Renard Bleu. J'ai notamment essayé d'évaluer quel était le surcroît de résistance apporté par la bague frette qu'il a utilisée pour renforcer ses joints.

J'ai pu constater que lorsqu'on rentre dans le détail du fonctionnement d'un joint à billes et surtout qu'on fait quelques calculs pour dégager des ordres de grandeur sur la nature et la valeur des efforts en jeu, ça se complique très rapidement.

D'où mon intitulé d'article.

Ensuite, un vieux pote, qui me fait régulièrement part de ses critiques, généralement sans concessions :wink: , m'a fait observer que la partie de mon exposé relative aux efforts parasites (moment fléchissant) dûs au braquage était beaucoup trop rapide (traduisez : imbitable) et qu'elle devrait être développée. Ce sentiment est-il le vôtre et dois-je retravailler ce point?

Enfin, j'ai en tête un cas d'école (franchissement de la Dalle du Cévenol) qui pourrait alimenter une réflexion plus ou moins théorique explicitant la genèse d'une reprise d'adhérence et ses effets sur un joint à billes. Ce propos pourrait également enrichir le présent article. Qu'en pensez-vous?
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bisnouk
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Message non lu par bisnouk »

Personnellement, je n'ai pas les comptétences pour comprendre plus loin cette présentation théorique mais même s'il n'y a que 10 % de la communauté qui comprend vraiment, c'est toujours interressant pour les autres (comme moi) d'avoir des explications suplémentaires.

De plus, tes articles, ainsi rédigés, restent assez clair pour en appréhender le principe général... ce qui n'est que trop rarement le cas des explications que l'on trouve par ailleurs.
Gabrielle
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Message non lu par Gabrielle »

Salut;

Pas de polemique sur les intervenants, c'est pas mon truc.

Pour ce qui est du point critique, l'effort flechissant. Il est pour moi suffisant de savoir quel est le point faible du bidule. Je ne suis pas adepte du TT en general, et encore moins du "si c'est pas passé ce coup ci, je reprend de l'elan" :lol: .

Par contre, j'ai pas eu d'echo concernant ma question sur l'influence des cales de braquage. Personne ne se prononce, ou c'est une question idiote?
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Normand 1400
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Message non lu par Normand 1400 »

Gabrielle,

tu parles des butées de braquage, je suppose?

Si tel est le cas, la réponse est assez simple : moins tu braques, moins tu sollicites le joint.

Le problème est qu'un 4x4, pour être agile, ne doit pas être affublé d'un rayon de braquage de porte-avions.

Donc la solution est, une fois de plus, dans les mains du pilote : on peut obtenir, puis exploiter sans grand risque, le rayon de braquage le plus court (en vissant les butées jusqu'à ce que les roues touchent les jambes de force au braquage) à la condition de prendre l'habitude de réduire les gaz au fur et à mesure que l'on braque.

En outre, accélérer en braquant augmente la dérive du train avant, donc élargit le rayon de braquage, ce qui n'est pas toujours intéressant.

Pour ceux qui ont des blocs, même motif, même punition ; perso, je ne braque jamais de plus d'un demi tour en + ou en - du point médian (roues en ligne droite) tant que je n'ai pas l'absolue certitude que le dif avant est débloqué.

Certes, c'est contraignant et ça oblige à adopter des trajectoires bizarres ou faire des manoeuvres, mais c'est ça ou prendre le risque d'exploser inutilement un joint.

D'un autre côté, parce qu'ils permettent de faire riper les essieux, les blocs rendent très relative la notion de trajectoire.

Donc le problème est, dans ce cas, secondaire.
Modifié en dernier par Normand 1400 le 24/07/2007 12:15, modifié 2 fois.
Gabrielle
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Message non lu par Gabrielle »

Oui, c'est tout à fait ca, et tu repond tout à fait à ma question.

Merci. :wink:
dominic violon
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Message non lu par dominic violon »

Bien sollicité, le joint ...

Image
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Normand 1400
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Message non lu par Normand 1400 »

Graissé à la boue :D

Tu vas nous mettre le Pater sur les nerfs avec ça...

Il fallait prévoir quelque chose de cool pour son retour!

Déjà qu'il a nous a fait péter le clavier aujourd'hui :wink:
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The Pater
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Message non lu par The Pater »

dominic violon a écrit : Image
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Renard Bleu
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Message non lu par Renard Bleu »

Normand 1400 a écrit :Quelques remarques et questions :

sur la "branlette" : des propos cinglants de ce type sont un peu regrettables en effet. Je pense, Mau, que ta décision est sage car, quelque part, il y va de la cohésion de la communauté qui nourrit ce forum...
Il faut de tout pour faire un monde....
Sur le terme d'éléments "de base" : ben oui, mon papier reste malgré tout très général, basique...
Il faut quand même le relire 2 ou 3 fois pour le digérer surtout le paragraphe sur le moment de fléchissant mais celà répond à un "sentiment que j'ai sur le problématique du CV Joint et le braquage.
J'ai été amené à enlever un peu de braquage en fin de course par le réglage des butées pour ne pas être tenté d'y aller car on va toujours au bout des possibilités à un moment ou l'autre sauf à s'appeler Normand. :wink:

J'ai été amené à creuser plus avant cette question des joints à la suite de nos échanges avec Renard Bleu. J'ai notamment essayé d'évaluer quel était le surcroît de résistance apporté par la bague frette qu'il a utilisée pour renforcer ses joints.
Il me semble que celà est une évolution décisive pour ce qui concerne la résistance de la tulipe, mais la cage reste la même. Apparement elle encaisse.


Ensuite, un vieux pote, qui me fait régulièrement part de ses critiques, généralement sans concessions :wink: , m'a fait observer que la partie de mon exposé relative aux efforts parasites (moment fléchissant) dûs au braquage était beaucoup trop rapide (traduisez : imbitable) et qu'elle devrait être développée. Ce sentiment est-il le vôtre et dois-je retravailler ce point?
Il serait étonnant que les contraintes soient linéaires......

Enfin, j'ai en tête un cas d'école (franchissement de la Dalle du Cévenol) qui pourrait alimenter une réflexion plus ou moins théorique explicitant la genèse d'une reprise d'adhérence et ses effets sur un joint à billes. Ce propos pourrait également enrichir le présent article. Qu'en pensez-vous?
Toujours plein d'enseignements. En tout cas j'ai toujours un peu d'appréhension pour la mécanique à son pied, j'y ai déjà vécu quelques gags comme "comment faire passer un silent bloc de tirant de pont arrière au travers du support de chassis" mais c'est une autre histoire.
Selon les jours l'adhérence change. Cette année celè passait en adhérence pure. D'autres années il fallait être plus dynamique et lorsque les 4 roues se plaque sur la dalle on a cette sensation que la transmission à déjà "parcouru" une certaine distance alors que le véhicule n'en a pas fait la moitié par compression de tout les éléments élastiques de la suspension puis une sensation de détente comme un félin. Cette sensation est trés particulière même si elle est trés fugace. Elle entraine une fraction de seconde pendant laquelle il est difficile de prétendre que l'on controle tout. Toute la transmission est bandée comme un arc.
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Normand 1400
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Message non lu par Normand 1400 »

Renard Bleu a écrit :Il me semble que celà est une évolution décisive pour ce qui concerne la résistance de la tulipe, mais la cage reste la même. Apparement elle encaisse.
Mes calculs, très sommaires vu les éléments dont je disposais sur les dimensions des pièces et mes moyens de calcul (manuels, donc limités) montraient que la bague frette Maxidrive, montée à chaud sur un 2522 ancienne mouture, doublait quasiment la résistance du bol. Ce qui ne veut pas dire que la résistance du joint était doublée dans la mesure où, comme dit Renard, noix et cage d'origine étaient conservées.

Ce gain de résistance était obtenu :
  • d'une part par la précontrainte exercée par la frette sur le bol lors de son refroidissement,

    d'autre part grâce à l'épaisseur supplémentaire de métal apporté par cette frette, taillée dans de l'AMS 6418 (même nuance que les arbres de roues de même marque).
Sans compter une résistance accrue en fatigue, la frette ne présentant aucune discontinuité de forme générant des concentrations de contraintes (ce qui n'est pas le cas avec le bol, notamment en raison des pistes usinées en son sein).

Quant à comparer les résistances des anciennes et des nouvelles noix, il faudrait en connaître les dimensions et les performances métallurgiques respectives.

Sans oublier que, comme toujours, un tel gain de résistance peut, dans des mains non expertes, générer des ruptures d'organes immobilisantes, parce que situées plus haut dans la chaîne cinématique.
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