Titre de l'invention : Entretoise de friction

[0001] La présente invention se rapporte à une entretoise de friction adaptée à être intercalée entre deux organes mécaniques pour pouvoir en prévenir le mouvement relatif.

[0002] Il est connu de vouloir maintenir en appui à force deux pièces l’une contre l’autre au moyen d’organes de serrage à vis pour pouvoir les maintenir en position fixe et qu’elles puissent résister à des efforts visant à les entraîner en mouvement l’une par rapport à l’autre. Cette résistance au mouvement relatif des deux-pièces l’une par rapport à l’autre est le produit de l’effort de serrage des deux pièces l’une contre l’autre par le coefficient adhérence à l’interface entre les deux pièces.

Aussi, il est connu d'insérer des entretoises de friction entre deux pièces afin qu'elles puissent mieux résister à leur mouvement relatif, ou bien pour pouvoir réduire les efforts de serrage qui tendent à engendrer des contraintes mécaniques sur les pièces. Ces entretoises de friction présentent ainsi un coefficient d'adhérence avec les pièces, bien supérieur à celui des pièces entre elles.

[0003] Des entretoises de friction plus connues sous le nom de rondelles de serrage ou rondelles de friction sont réalisées dans une feuille d'acier sous forme annulaire, laquelle est recouverte sur chacune de ses faces de particules de diamants en prise dans une couche de nickel.

[0004] On pourra se référer au document US 6 347 905 B1 , lequel décrit de telles entretoises.

[0005] Les particules de diamant font saillies de la rondelle et elles viennent alors s'incruster dans la surface des pièces lorsque les entretoises sont prises en étau entre ces pièces. Le diamant est en effet le matériau dont la dureté culmine sur l'échelle de Mohs. De la sorte, les coefficients d'adhérence, ou coefficients de frottement statique, à l'interface entre les entretoises et les pièces sont grandement augmentés.

[0006] De telles entretoises sont relativement complexes à réaliser puisqu'il est nécessaire de mettre en œuvre au moins trois matériaux, de l'acier, du nickel et les particules de diamants. Par ailleurs, les particules de diamants présentent différentes formes d'un diamètre équivalent moyen de l'ordre du micromètre et elles sont disséminées aléatoirement à la surface des entretoises. Ainsi, la distribution irrégulière de ces particules de formes et de dimensions inégales à la surface des entretoises induit des variations locales du coefficient de frottement statique. Au surplus, la qualité du blocage des deux-pièces entre elles, est dépendante de la qualité de la liaison entre les particules de diamants et les matériaux métalliques, l'acier et le nickel.

[0007] Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention est de fournir une entretoise de friction qui soit plus simple à réaliser et dont les propriétés mécaniques de surface sont plus homogènes.

[0008] Dans ce but, selon un premier aspect, il est proposé une entretoise de friction adaptée à être intercalée entre deux organes mécaniques pour pouvoir transmettre un effort entre lesdits deux organes mécaniques, ladite entretoise de friction comprenant une pièce plate présentant deux surfaces opposées définissant une épaisseur, et une pluralité d’aspérités s’étendant en saillie d’au moins une desdites surfaces, les aspérités de ladite pluralité d’aspérités s’étendant de ladite au moins une desdites surfaces opposées d’une hauteur moyenne déterminée. Ladite pièce plate et lesdites aspérités sont faites d’un même matériau métallique, et ledit même matériau métallique s’étend continûment entre ladite pièce plate et lesdites aspérités. Et le rapport de ladite hauteur moyenne déterminée desdites aspérités et de la somme de ladite épaisseur de ladite pièce plate et de ladite hauteur moyenne déterminée desdites aspérités, est comprise entre un demi et un dixième, tandis que ladite hauteur moyenne déterminée desdites aspérités est préférentiellement comprise entre 30 pm et 500 pm.

[0009] Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans la mise en œuvre d'une entretoise de friction dont le corps sous la forme d'une pièce plate et les aspérités qui en font sailli, sont faits du même matériau sans discontinuité du matériau entre la pièce plate et les aspérités. Comme on l'expliquera plus en détail dans la suite de la description, de telles caractéristiques sont obtenues en partant d'une pièce plate brute à la surface de laquelle on vient détourer chacune des aspérités. De la sorte, la pièce plate et les aspérités forment une seule pièce.

[0010] Ainsi, le matériau métallique des aspérités, s'étend de manière continue dans la pièce plate. Et par conséquent, la liaison entre les aspérités et la pièce plate est bien supérieure à celle des particules de diamant et de la feuille d'acier annulaire selon l'art antérieur. En outre, et comme on l'expliquera ci-après, une telle entretoise est plus simple à réaliser.

[0011] On observera que les organes métalliques présentent des surfaces d'appui planes contre lesquelles l’entretoise de friction selon l'invention vient s'appliquer à plat. Par exemple, l’un des organes métalliques présente une portée d’appui dans laquelle débouche un orifice, tandis que l’autre organe d’appui est constitué par la sous-face d’une tête de vis. L’entretoise de friction est alors annulaire et elle est prise en étau entre la portée d’appui et la tête de vis, la vis présentant une tige qui traverse alors l’entretoise de friction et est engagée dans l’orifice, et la portée d’appui de l’organe mécanique.

[0012] Aussi, grâce au rapport des hauteurs, la cohésion des aspérités et de la pièce plate est suffisante et elle évite leur désolidarisation lorsque des contraintes s'exercent sur l’entretoise.

[0013] En outre, grâce à la hauteur des aspérités, comprise entre 30 pm et 500 pm, les entretoises sont adaptées à être mises en œuvre sur tout type de surface d’appui. [0014] La hauteur de ces aspérités peut être prédéterminée en fonction du type d'organe mécanique à assembler. Ainsi par exemple, sur des surfaces d’appui incluant un revêtement de type peinture, on met en œuvre des entretoises de friction dont les aspérités présentent une longueur voisine de 300 pm. En revanche, sur des surfaces d’appui nues d’acier relativement dur par exemple, on met en œuvre des entretoises de frictions présentant des aspérités dont la longueur est voisine de 50 pm.

[0015] Selon un mode de mise en œuvre de l'invention particulièrement avantageux, ledit rapport est compris entre un tiers et un sixième ce qui améliore plus encore la cohésion. De la sorte, et compte tenu de la hauteur moyenne déterminée des aspérités les entretoises présentent une épaisseur maximale de 3 mm et une épaisseur minimale de 90 pm. De la sorte, de telles entretoises peuvent être installées sur des assemblages vissés préconçus, sans avoir à les redimensionner. [0016] Aussi, et selon un mode de réalisation préféré, lesdites aspérités sont régulièrement réparties sur ladite au moins une desdites surfaces. Autrement dit, les aspérités sont espacées les unes des autres d'un pas constant. De la sorte, les aspérités sont réparties de manière homogène à la surface de la pièce plate et assure ainsi des propriétés locales de surface constante. Plus encore, et comme on l'expliquera ci-après, les aspérités présentent une même géométrie, ce qui améliore plus encore l'homogénéité des propriétés locales de surface. Conséquemment, les aspérités s'étendent de la surface d'une même hauteur, avec une très faible dispersion. Autrement dit, compte tenu de la très faible dispersion précitée, les aspérités présentent une hauteur comprise entre 30 pm et 500 pm.

[0017] Grâce à ces caractéristiques, on comprend que l'entretoise en prise entre deux organes mécaniques comprimés l'un contre l'autre, selon une pression de contact uniforme, engendre une même indentation des aspérités dans les pièces sur toute la surface de l'entretoise. Partant, le coefficient d'adhérence sera homogène sur toute sa surface.

[0018] Selon un autre mode de réalisation, les aspérités sont réparties sur ladite au moins une desdites surfaces selon un pas progressif. De la sorte, et en particulier lorsque la pression de contact n’est pas uniforme, on peut conserver un coefficient d’adhérence sensiblement homogène sur toute la surface de contact.

[0019] En outre, et selon encore un autre mode de réalisation, les aspérités présentent une géométrie progressive sur ladite au moins une desdites surfaces. Autrement dit, les aspérités sont par exemple de plus en plus proéminentes, selon une même direction à la surface.

[0020] Avantageusement, les aspérités présentent à la fois une géométrie progressive, et sont espacées les unes des autres d’un pas progressif, sur ladite au moins une desdites surfaces.

[0021] Par ailleurs, ladite pièce plate présente préférentiellement deux pluralités d’aspérités étendues respectivement en saillie desdites deux surfaces opposées. De la sorte, lorsque l'entretoise de friction est en prise entre les deux organes mécaniques, les aspérités des deux surfaces opposées viennent coopérer de manière identique avec les deux organes mécaniques.

[0022] Aussi, et selon une variante de réalisation particulièrement avantageuse, ladite pluralité d’aspérités comprend entre 500 et 5000 aspérités par cm ² de ladite au moins une desdites surfaces. Par exemple, lorsque les surfaces d’appui présentent un revêtement, on choisit une entretoise présentant des aspérités d’une longueur proche de la borne supérieure, voisine de 300 pm et un nombre d’aspérités par cm ² proche de la borne inférieure, par exemple 600 aspérités par cm ² . [0023] En outre, et selon une variante de réalisation particulièrement avantageuse, ladite pluralité d’aspérités comprend entre 2000 et 5000 aspérités par cm ² de ladite au moins une desdites surfaces. De la sorte, on obtient une indentation optimale des aspérités dans les organes mécaniques. Lorsque la densité des aspérités est en dehors des bornes précitées, le coefficient de frottement statique diminue sensiblement. Cela est en particulier vérifié lorsque les surfaces d’appui sont dénuées de revêtement.

[0024] En outre, grâce à la hauteur des aspérités et compte tenu du rapport de la hauteur moyenne déterminée précitée desdites aspérités et de la somme de ladite épaisseur de ladite pièce plate et de ladite hauteur moyenne déterminée desdites aspérités, on obtient des entretoises de friction relativement minces. Comme on l’expliquera ci-après, une telle épaisseur est avantageuse et permet une mise en œuvre indépendamment du dimensionnement originel des assemblages vissés.

[0025] Par ailleurs, le matériau métallique mis en œuvre pour réaliser les entretoises de friction est préférentiellement l'acier. Toutefois, d’autres matériaux métalliques peuvent être mis en œuvre.

[0026] En outre, et selon un autre mode de mise en œuvre de l'invention, les aspérités sont revêtues d'un autre matériau métallique, par exemple le nitrure de chrome. Un tel revêtement permet d'augmenter la dureté des aspérités.

[0027] Selon un second aspect conforme à l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'une entretoise de friction telle que décrite ci-dessus. Un tel procédé de friction comprend les étapes suivantes : on fournit une pièce plate brute présentant deux faces brutes opposées, et on détoure chacune desdites aspérités dans au moins une desdites faces brutes pour former ladite pluralité d’aspérités. Ainsi, à partir d'une pièce plate brute présentant deux faces brutes opposées, on vient usiner au moins l'une des faces de manière à détourer chacune des aspérités. Autrement dit, on retire du matériau métallique autour de chacune des aspérités de sorte qu'elles apparaissent ensuite en saillie de la surface ainsi dégagée.

[0028] Différents outils d'usinage peuvent être utilisés pour enlever le matériau et réaliser ce détourage. Un laser femtoseconde par exemple pourrait être mis en œuvre.

[0029] Un laser femtoseconde permet de détourer avec une grande précision, un grand nombre d’aspérités par unité de surface. De surcroît, ce type de laser permet de façonner des aspérités coniques à courbe directrice polygonale. Par exemple, il permet de réaliser des aspérités conique à base carrée ou rectangulaire. Autrement dit, les aspérités présentent une forme de pyramide. De telles aspérités présentent un avantage dû à leur extrémité pointue. En effet, les aspérités pénètrent ainsi plus efficacement et profondément dans le matériau de la surface contre laquelle l’entretoise de friction et comprimer. Partant, on améliore plus encore la résistance à la friction.

[0030] D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après de modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

[Fig. 1] est une vue schématique en perspective de dessus d’une ébauche permettant de réaliser l’entretoise de friction conforme à l’invention;

[Fig. 2] est une vue schématique en grossissement fort de la surface de l’objet de la [Fig. 1] après transformation ;

[Fig. 3] est une vue schématique en coupe selon le plan lll-lll représentés sur la [Fig. 2] ; et,

[Fig. 4] est une vue schématique de mise en œuvre de l’objet de l’invention.

[0031] La [Fig. 1] montre, vu de dessus, une pièce annulaire plate brute 10 en acier, formant une ébauche. Elle présente deux faces opposées 12, 14. La pièce annulaire plate brute 10 illustrée présente un centre C. Son diamètre intérieur R1 est de 2 mm, tandis que son rayon extérieur est de 6 mm. Aussi, son épaisseur e est de 0,3 mm soit 300 pm.

[0032] Ainsi, conformément à un objet de l'invention, la face 12 de la pièce annulaire brute 10 est usinée pour faire naître une pluralité d'aspérités comme on va le décrire ci-après. Et on obtient de la sorte une entretoise de friction conforme à l'invention.

[0033] Selon une première variante d'exécution, on met en œuvre un laser femtoseconde, lequel produit par définition des impulsions ultra-courtes de l’ordre de IO’ ¹⁵ seconde, tout à fait adaptées pour le micro-usinage.

[0034] Grâce au laser femtoseconde, entraîné par un robot lequel est piloté par une installation de commande selon un programme prédéfini, on vient ainsi usiner l’une des faces 12 de la pièce annulaire 10 afin de pouvoir y détourer des aspérités d’une hauteur sensiblement égale à 75 pm et d’un diamètre, à la base, de sensiblement 50 pm, selon une première variante de réalisation.

[0035] Ainsi, comme illustré en détail sur la [Fig. 2], montrant partiellement une portion de la surface 12 de 0,6 mm ² environ avec un fort grossissement, des aspérités 16 de ladite pluralité d’aspérités, formant des plots sensiblement tronconiques, s’étendent suivant un motif carré selon le plan moyen de l’entretoise de friction. Autrement dit, les aspérités 16 s'étendent selon deux directions perpendiculaires entre elles, et espacées les unes des autres d'une même distance selon les deux directions. Telles qu’illustrées sur la [Fig. 2], les aspérités 16 de la pluralité d'aspérités réalisées sur la face 12 sont toutes sensiblement de même forme et de même dimension.

[0036] Aussi, les aspérités 16 s'étendent sur une hauteur h de sensiblement 75 pm à partir d'une surface 18. Elles sont écartées les unes des autres d'une distance L de sensiblement 150 pm et l'espace I qui les sépare deux à deux est sensiblement égal à 100 pm, selon cette première variante de réalisation. Aussi, leur diamètre à l'embase, soit au niveau de la surface 18, est sensiblement égal à 50 pm.

[0037] Compte tenu de ces dimensions, on obtient un nombre d'aspérités 16 par centimètre carré de surface 18 de l'ordre de 4450.

[0038] Partant, en se référant à présent à la [Fig. 3], illustrant partiellement en coupe droite selon le plan lll-lll tel que représenté sur la [Fig. 2], l’entretoise de friction alors obtenue après le micro-usinage comporte une pièce plate 20 et les aspérités 16 qui s’étendent en saillie de la surface 18 de la pièce plate 20. On mesure alors le rapport entre la hauteur h des aspérités 16 et l'épaisseur e de l’entretoise. Ainsi, la hauteur h des aspérités 16 de 75 pm est à rapporter à l'épaisseur e de la pièce annulaire plate brute 10, mais aussi de la distance qui s'étend de la face 14 opposée à la face usinée 12, jusqu'au sommet des aspérités 16 et qui est de 300 pm. Ce rapport est sur l'exemple présenté ici de un quart, autrement dit, de 0,25.

[0039] En outre, compte tenu du micro-usinage où il s’est agit de retirer du matériau, soit de l’acier, le matériau s’étend continûment entre ladite pièce plate 20 et les aspérités 16. De la sorte, le matériau de la pièce plate se prolonge dans les aspérités 16 sans discontinuité et sans perturbation métallurgique. Partant, les aspérités 16 sont fermement reliées à la pièce plate 20. [0040] Aussi, l'acier utilisé pour la pièce annulaire plate brute 10 est relativement dur et d'une dureté supérieure à 380 HV selon la mesure de dureté Vickers.

[0041] En outre, le micro-usinage au moyen du laser femtoseconde n'affecte nullement la métallurgie de l'acier restant, et par conséquent, il conserve sa dureté. Autrement dit, les aspérités 16 notamment, qui s'étendent en saillie de la surface 18 conservent cette dureté supérieure à 380 HV. Une telle caractéristique est particulièrement avantageuse comme on l'expliquera plus en détail ci-après.

[0042] Selon une deuxième variante de réalisation, les aspérités 16 s'étendent également sur une hauteur de 75 pm à partir de la surface. Mais elles sont écartées les unes des autres d'une distance de 200 pm et l'espace qui les sépare deux à deux est alors de 150 pm compte tenu de leur diamètre de 50 pm. Partant, on obtient un nombre d'aspérités de 2500 par centimètre carré de surface.

[0043] Selon deux troisièmes variantes de réalisation, les aspérités s'étendent sur une hauteur de 100 pm, avec une répartition sur la surface analogue à celle de la première variante de réalisation pour une première troisième variante de réalisation, et avec une répartition analogue à celle de la deuxième variante pour une deuxième troisième variante de réalisation.

[0044] Toujours selon ladite première variante d'exécution, où l'on met en œuvre un laser femtoseconde, on vient également usiner l'autre face 14 opposée à la face 12 de l'objet de la [Fig. 1], De la sorte, on détoure des aspérités sur cette autre face 14 présentant une géométrie et une répartition identique, par exemple selon l'une ou l'autre des trois variantes de réalisation précitées.

[0045] Selon une deuxième variante d'exécution de l'invention, on met en œuvre un procédé d'usinage électrochimique de précision pour former les aspérités à la surface de la pièce annulaire plate brute.

[0046] Pour ce faire, on réalise tout d'abord des alvéoles dans la surface de travail d'un outil circulaire. La surface de travail est plane et de forme annulaire. Ses dimensions sont sensiblement égales à celles de la pièce annulaire plate brute telle que représentée sur la [Fig. 1],

[0047] On vient ainsi former des alvéoles sur la surface de travail. Ces alvéoles sont tronconiques et elles présentent une profondeur sensiblement supérieure à 75 pm. Leur circonférence, au niveau de la surface de travail est sensiblement supérieure à 50 pm. Les alvéoles s'étendent selon deux directions perpendiculaires entre elles et elles sont espacées les unes des autres d'une même distance selon les deux directions, à savoir 150 pm. De la sorte, on obtient une densité d'alvéoles d'environ 4450 par centimètre carré.

[0048] Ensuite, on ajuste une pièce annulaire plate brute du type précité en regard de la surface de travail de l'outil circulaire et on couple électriquement la pièce annulaire plate brute et l'outil circulaire. Puis on entraîne en translation selon un mouvement sinusoïdal l'outil circulaire et la pièce annulaire l'un vers l'autre en appliquant une différence de potentiel entre les deux, tandis qu'on y fait circuler un électrolyte. De la sorte, on provoque la dissolution du métal de la surface de la pièce annulaire plate brute, excepté en regard des alvéoles. Ainsi se dessinent au fil du cycle du procédé, des aspérités présentant une forme et une densité d'environ 4450 par centimètre carré, tout à fait analogue aux aspérités formées selon la première variante d'exécution précitée et conformément à la première variante de réalisation.

[0049] Selon cette deuxième variante d'exécution, on obtient également des aspérités de même nature métallurgique que la pièce plate de laquelle elles s'étendent en saillie.

[0050] Aussi, grâce à cette méthode on réalise les aspérités à la surface de la pièce plate à un coût avantageux, en particulier lorsque l’on produit de grande série.

[0051] Bien entendu, selon cette deuxième variante d'exécution de l'invention, on peut obtenir la densité d'aspérités que l'on souhaite à la surface de la pièce plate avec les dimensions souhaitées en termes de hauteur et de diamètre, en ménageant des alvéoles correspondantes dans la surface de travail de l'outil.

[0052] Au surplus, on retourne la pièce plate pour pouvoir usiner l'autre face selon le même procédé.

[0053] Quelle que soit la variante d’exécution de l’invention retenue, on obtient une entretoise de friction circulaire, présentant avantageusement deux surfaces opposées munies d’aspérités.

[0054] Aussi, quelle que soit la variante d’exécution de l’invention, et selon un mode de réalisation particulier, on réalise sur une pièce annulaire plate brute, des aspérités d’une géométrie et d’une dimension voisines, suivant des rayons de ladite pièce. Au surplus, ces aspérités sont selon un même rayon, espacées radialement d’un pas progressif en allant du centre vers l’extérieur. De la sorte, la densité des aspérités diminue progressivement du centre vers l’extérieur. [0055] Selon un autre mode de réalisation, on réalise sur une pièce annulaire plate brute, des aspérités suivant des rayons, dont le pas est constant et les dimensions progressives.

[0056] Par ailleurs, selon un mode de mise en œuvre particulièrement avantageux, on traite la pièce plate munie des aspérités pour augmenter plus encore leur dureté. Ainsi, on vient déposer à chaud sur la surface et les aspérités de la pièce plate, une couche d'un revêtement céramique d'une épaisseur comprise entre 0,15 pm et 15 pm par exemple. On dépose par exemple une couche de nitrure de chrome.

[0057] En outre, l'entretoise de friction selon l'invention, n'est pas limitée en termes de dimension ni de forme à une pièce annulaire plate telle que décrite ci-dessus.

[0058] On observera également que l’entretoise de friction selon l’invention est relativement mince. Partant, on peut décider de la mettre en œuvre pour les besoins d’un assemblage vissé sans avoir à redimensionner les éléments de cet assemblage dans une nouvelle conception. Autrement dit, un assemblage vissé qui serait déjà mis en œuvre, mais qui au fil du temps tendrait à se dévisser, peut alors recevoir une entretoise de friction conforme à l’invention sans remettre en cause les éléments de l’assemblage ni leur fonction en termes d’efforts.

[0059] On décrira à présent en regard de la [Fig. 4] un mode opératoire pour tester les entretoises de friction circulaires obtenues selon l'invention. Ce mode opératoire met en œuvre un dispositif de mesure 30. Celui-là inclut un assemblage comprenant ici deux plaques métallique, l’une supérieure 32, l’autre inférieure 34. La plaque supérieure 32 présente une extrémité d’ancrage 36 et une première extrémité opposée 38 percée d'un orifice 39. La plaque inférieure 34 comporte une seconde extrémité 40 percée d'un autre orifice 41 et une extrémité opposée de traction 42.

[0060] Une entretoise de friction conforme à l'invention 44 à tester, est interposée entre les deux extrémités 38, 40, tandis qu’un organe de serrage réglable 46 est engagé à travers les orifices 39, 41 et à travers l'entretoise de friction 44. On vient de la sorte exercer une tension axiale donnée Ft grâce à l’organe de serrage 46 pour comprimer les deux extrémités 38, 40 de part et d’autre de l'entretoise de friction à tester 44. Ensuite, on enregistre l’effort Fr à exercer sur l’extrémité de traction 42 de la plaque inférieure 34 selon une direction perpendiculaire à la tension axiale Ft, pour provoquer le mouvement relatif des deux plaques 32, 34 l’une par rapport à l’autre. On en déduit alors un coefficient de frottement statique p ₀ . [0061] Aussi, avec l'entretoise de friction selon l’invention, on enregistre un coefficient de frottement statique p ₀ supérieur à 0,3. Ce résultat est avantageux comparativement au coefficient de frottement statique p ₀ usuel, acier contre acier qui est de l’ordre de 0,2. [0062] Aussi, dans d'autres essais comparatifs, on teste non pas un effort de traction, mais un effort de rotation, soit un couple. Pour ce faire, on tente d'entraîner les deux plaques 32, 34 en rotation l'une par rapport à l'autre autour de l'axe de l'organe de serrage 46. Et on enregistre alors le couple de rotation à exercer pour provoquer le mouvement relatif des deux plaques 32, 34. [0063] Par ailleurs, et selon encore une autre variante d’exécution de l’invention, non représentée ici, on met en œuvre des aspérités présentant une forme de pyramide. Elles présentent l’avantage d’améliorer leur indentation dans le matériau de la surface d’appui. De la sorte, on augmente la résistance à la friction.

[0064] Une telle configuration d’aspérités peut être avantageusement réalisée directement au moyen d’un laser femtoseconde.