L'arbre de transmission - article Partenariat Olivier Brun
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L'arbre de transmission

(article partenariat Olivier Brun)



Note : Euro4x4parts publie ces informations pour rendre service à ses clients mais ne peut en aucun cas être tenu responsable des conseils donnés ici et de leurs conséquences à l'utilisation.


Au sommaire :

A. Qu'est-ce que l'arbre de transmission ?

B. Un peu de théorie... l'homocinétisme

C. Condition de montage d'un arbre avec 2 joints à simple cardan

D. La coulisse

E. La réhausse du 4x4...

F. Le montage d'un arbre avec 2 joints à double cardans

G. L'entretien

H. Conclusion




A. Qu'est-ce que l'arbre de transmission ?

"Il s'agit d'un tube d'acier avec un joint de cardan de chaque côté qui transfère le couple de la sortie de la boîte de transfert vers les ponts. Rien de bien sorcier ? "Eh bien, c'est vrai, mais la réponse est un peu simplifiée...

Il y a de nombreuses subtilités dans le montage et le bon fonctionnement d'un arbre de transmission. Ces subtilités peuvent avoir un impact important sur la durée de vie de notre arbre et des composants alentours, sur les vibrations ressenties et sur son aptitude à remplir le cahier des charges pour lequel il est prévu.

Dans cet article, nous allons voir ces subtilités, les différents types d'arbre de transmission, et vous aider à optimiser votre montage.

La fonction principale d'un arbre de transmission est de transmettre la puissance entre la boîte de transfert et le pont (avant ou arrière) avec un rendement important (de l'ordre de 98%).

Le choix de cette solution de transmission de puissance parmi d'autres vient du fait que l'émetteur (la boîte de transfert) et le récepteur (le pont) sont mobiles l'un par rapport à l'autre.

En fonction du système de guidage des ponts (lame ou tirants+ressorts), l'axe du nez de pont va changer de distance axiale, et également d'angle avec l'axe de sortie de boîte de transfert.

Qui dit puissance (P) dit vitesse (w) et couple (C) (P= C. w)

- Pour éviter les vibrations désagréables et néfastes (contraintes de fatigues) sur les arbres et les paliers, la transmission doit être homocinétique (c'est-à-dire même vitesse de rotation entre la boîte de transfert et le pont) et ce malgré les mouvements relatifs.

- La transmission doit aussi être capable de transmettre le couple.

Sur un 4x4 de série, tout est dimensionné en fonction du véhicule (plus ou moins bien d'ailleurs suivant les constructeurs, mais globalement, ça tient).

Sur nos engins modifiés, on change le cahier des charges :

- soit on modifie le couple à transmettre (pneus plus grands, plus larges, couples coniques réduits ou réduction de boîte de transfert, puce électronique ou pression du turbo...)

- soit on modifie la géométrie (rehausse de suspension uniquement, les rehausses de caisse par rapport au châssis "body-lift" ne modifiant pas la géométrie).

Heureusement, il existe des solutions, mais pour avoir un véhicule cohérent, qui tienne la route (dans les 2 sens du terme), il faut tenir compte des conséquences de nos transformations en gardant en ligne de mire 2 objectifs : efficacité et sécurité.

Pour répondre au problème de couple uniquement, les coefficients de sécurité des constructeurs sont bien souvent suffisants, sinon... on met plus gros !

Le problème géométrique est un peu plus délicat à gérer.

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B. Un peu de théorie... l'homocinétisme

Le joint de cardan simple n'est pas homocinétique. En effet, si l'angle q (voir schéma) est différent de 0°, on voit sur le graphique que la vitesse instantanée de sortie fluctue en fonction de la vitesse instantanée d'entrée.

Voici une animation vidéo qui montre la variation de vitesse (accélération/décélération) de l'arbre de sortie par rapport à l'arbre d'entrée qui tourne à vitesse constante)

Mais alors...

Notre arbre de transmission n'est pas composé d'un seul cardan, mais de deux !
Et si l'ensemble est bien monté (voir ci-dessous condition de montage 1 et 3), l'accélération de l'un compense instantanément la décélération de l'autre, et vice-versa.

Durée de vie :

A une vitesse donnée, au plus l'angle est important, au plus la durée de vie est courte (60% de longévité en moins pour un cardan à 8° par rapport à un cardan fonctionnant sous un angle de 3°). D'où la condition de montage N°2.

De plus, au plus l'angle est important, au moins on a de couple transmissible.

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C. Condition de montage d'un arbre avec 2 joints à simple cardan

1 : Angles d'entrée et de sortie égaux ( ±0.5°).

2 : Faible angulation (normale de l'ordre de 3°)

Cette valeur concerne l'angle statique puisque lors des mouvement (sauts, croisement de pont...), la distance verticale entre le pont et la boîte va être modifiée, et donc l'angle aussi.

Pour les véhicules à lames, l'accélération et le freinage vont aussi beaucoup modifier cet angle moyen. Le bon positionnement des amortisseurs et la mise en place d'une barre anti-couple permet d'atténuer ce phénomène (nous développerons ce système à l'occasion).

3 : fourches en phase (si décalées d'un quart de tour, 90°, les résultats cinématiques sont encore pires que cardan simple)

4 : équilibrage.

En effet, lors du remontage d'un arbre de transmission qui a été séparé au niveau des cannelures, il y a en théorie 2 positions pour avoir les fourches en phase (ce n'est d'ailleurs pas toujours vrai, puisque suivant le nombre de cannelures, on peut tomber en décalage lors de la position symétrique à la bonne).

Le respect de la bonne position permet de conserver l'équilibrage du constructeur, qui permet d'éviter les vibrations, comme sur les roues.

C'est pour cela aussi qu'on ne peut pas faire un nouvel arbre de transmission avec 2 demi-arbres différents : l'indexage ne tombera pas forcément bien, et l'équilibrage sera obligatoirement mauvais. Les demi-arbres sont appairés.

C'est ce qui rend compliqué toute tentative de fabriquer son arbre de transmission « maison » pour le proto au fond du garage : il est quasi impossible, surtout avec les contraintes et déformations du soudage , de respecter les tolérances angulaires et de coaxialité entre les différents éléments, même si on peut se passer de l'équilibrage pour du trial ou du rockrawling.

L'équilibrage permet d'éviter les balourds et d'éloigner les fréquences propres de l'arbre de celle du reste du véhicule, pour éviter les phénomènes de résonances.

Il y a souvent un repère de mise en phase prévu par le constructeur, souvent bien camouflé sous la graisse. Il faut souvent bien lire la documentation pour le trouver, il est donc opportun de faire son propre repère avant de désaccoupler les 2 parties.

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D. La coulisse

La variation de distance entre le pont et la boîte est permise par les cannelures.

Il y a 2 principaux systèmes de montage :

- Fixation par bride de chaque côté avec coulissement sur arbre (Land, Samourai, Patrol, Toyota...)

- Fixation par liaison glissière sur les cannelures côtés boîtes (Jeep, Vitara...) et bride de l'autre côté (cette solution ne se justifie d'ailleurs guère techniquement, plutôt économiquement. L'un de ses principaux inconvénient est qu'en cas de casse de l'arbre, on ne peut pas simplement le démonter et continuer en 2 roues motrices, car une fois l'arbre démonté, l'huile de boîte va sortir par le trou des passages des cannelures).

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E. La réhausse du 4x4...

Une réhausse importante entraîne :

- des angles de fonctionnement trop importants sur les cardans,

- une augmentation de la longueur utile de l'arbre.

Solutions techniques existantes :

- Diminuer l'angle en augmentant la distance entre le pont et la boîte
o augmentation de l'empattement
o Slip-Yoke Eliminator (SYE) sur jeep (conversion de l'arbre cannelures-bride en bride-bride).

- Baisser la boîte mais cela entraine une perte d'angle ventral et la boîte est plus exposée.

- Mettre des cales d'épaisseur entre bride de pont et arbre (augmente longueur mais ne diminue pas l'angle)

- Installation d'un arbre de transmission à double cardan d'un ou des 2 côtés. (voir chapitre suivant)

- Installation d'un arbre de transmission à grande angulation. Cela ne fonctionne que pour des vitesses de rotation très faibles, en effet comme on peut le voir sur le graphique d'un cardan qui tient 30° (c'est énorme !), cette valeur n'est utilisable sans rien abimer qu'à... 50 tours/min (là, par contre, c'est pas énorme !!).

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F. Le montage d'un arbre avec 2 joints à double cardans

Le joint double est homocinétique (comme s'il y avait 2 cardans simples, voir chapitre au dessus).

Il y a une sorte de rotule de centrage entre les 2 croisillons (on ne peut donc pas bidouiller un montage double cardan avec les vieux cardans qui trainent dans le garage, ça ne fonctionne pas...)

Ci-dessous 2 des modèles pour Land vendus par Euro4x4parts, TAT1038 (double-simple) et TAT1039 (double-double)

Comme nous l'avons vu précédemment, le joint simple n'est pas homocinétique.

Sur un arbre double-simple, il n'y a pas de 2eme simple pour compenser les variations de vitesses du premier, il faut donc que le cardan simple fonctionne sous un angle de 0°.

Voir les 2 schémas ci-dessous :

Après test, sur un pont à lame, il ne faut pas 0° en statique, puisque sous l'effet du couple du pont par rapport au roues, le nez de pont se soulève légèrement.

On le positionne dont de -1 à -2° pour avoir 0° en dynamique.

Pour tourner les ponts, suivant le niveau de modification, on peut :

- Jouer sur les biellettes ou mettre des tirants rallongés/excentrés pour les 4x4 ayant cette technologie

- Mettre des cales d'angles ou dessouder/ressouder les pattes de pont ou jouer sur la longueur des jumelles.

On rentre alors dans des modifications qui peuvent être dangereuses, si elles sont mal faites.

- Ne pas trop desserrer les biellettes (elles ont une longueur de pénétration minimale)

- Ne pas couper / ressouder un tirant : il sera de toute façon fragilisé par le traitement thermique lors du soudage. Seule une personne qualifiée et très compétente dans le domaine peut se permettre de toucher à ça.

- En cas d'usage de cale angulaire, ne jamais faire un empilage de cale, le pont ne serait plus tenu ! Il faut une seule cale au bon angle

Ce concept fonctionne bien pour les pont rigides arrières... Mais pas pour l'avant !

En effet, si on incline le nez de pont, les angles de direction sont modifiés et on ne fait que déplacer le problème.

Dans ce cas, là encore 2 solutions :

- couper le pont de chaque côté, et incliner le nez de pont sans modifier la direction (gros travail nécessitant un marbre et beaucoup de savoir-faire)

- monter un arbre de transmission double-double (on n'a plus alors le souci d'avoir un joint simple à remettre à 0° puisque les deux côtés de l'arbre sont homocinétiques)

L'arbre double permet aussi de rattraper des différences latérales entre le l'axe de nez de pont et l'axe de sortie de la boîte, par exemple pour le montage de ponts plus costaud sur des protos (pont de GR sur des Suz, pont d'Unimog sur des GR...).

Petit astuce pour la mesure des angles des arbres, des ponts et des boîtes : avoir ou se faire prêter un téléphone type IPhone® et télécharger le logiciel gratuit de mesure d'angle… sauf si on a déjà un niveau numérique, mais tout le monde n'a pas ça au fond du garage !

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G. L'entretien

Le croisillon à l'intérieur du cardan est considéré comme pièce fusible. Elle peut se changer assez facilement, et il vaut mieux, financièrement, changer un croisillon qu'un arbre complet !

Elle sert aussi de pièce d'usure.

Il existe des modèles avec ou sans graisseurs.

Lesquels sont les mieux ?

Les deux !

Le modèle avec graisseur est un peu plus fragile (car il est percé à l'intérieur pour la circulation de la graisse), mais il est censé fonctionner en permanence sans eau, sans poussière grâce à ces graissages fréquents.

A monter si vous allez effectivement donner un coup de pompe régulièrement.

Le modèle sans graisseur est lui légèrement plus costaud quand il est neuf.

Il ne demande aucun entretien, mais comme une étanchéité n'est jamais parfaite, il s'usera rapidement dés qu'il y aura eu pénétration d'eau ou de sable.

Euro4x4parts vend des croisillons renforcés pour de nombreux modèles du marché (l'idée de pièce fusible sur un 4x4 en utilisation tout-chemin est souvent synonyme de « pièce qui casse sans arrêt » en TT hard.)

Par expérience là aussi, se mettre sur une surface propre pour le montage des croisillons, pour éviter de chercher les aiguilles des godets dans le sable...

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H. Conclusion

Euro4x4parts.com, toutes les pièces qu'il vous faut. Il n'y a plus qu'à s'y mettre !