Que sont les joints universels ? Fonction, types et remplacement

Joints universels , abréviation de joints universels, sont des accouplements mécaniques qui relient deux arbres rotatifs selon un angle, permettant une transmission fluide du couple même lorsque les arbres ne sont pas parfaitement alignés. Dans la plupart des véhicules à propulsion arrière et à quatre roues motrices, les joints de cardan constituent le lien essentiel entre la transmission, l'arbre de transmission et l'essieu arrière : ils fléchissent et tournent simultanément pour s'adapter aux mouvements de la suspension, aux changements de charge du véhicule et aux angles de transmission. Sans joints de cardan fonctionnels, le couple du moteur ne peut pas atteindre les roues. Un joint universel usé ou défectueux n’est pas seulement un inconvénient ; à vitesse d'autoroute, une défaillance catastrophique du joint de cardan peut faire tomber l'arbre de transmission sur la route ou percer le sol, créant ainsi un grave danger pour la sécurité.

Comment fonctionnent les joints universels : la mécanique expliquée

Un joint universel résout un problème d'ingénierie fondamental : comment transférer la puissance de rotation entre deux arbres qui se rencontrent selon un angle - et où cet angle change constamment à mesure que le véhicule se déplace ? Une connexion rigide se lierait et se briserait. Un accouplement flexible qui se plie simplement perdrait du couple. Le joint en U fait les deux : il fléchit et tourne en même temps.

Les composants d'un joint en U standard

Un joint de cardan automobile conventionnel – techniquement un joint à cardan, du nom du mathématicien italien du XVIe siècle Gerolamo Cardano qui a décrit sa géométrie – se compose de quatre composants principaux :

• La croix (ou araignée) : Une croix en acier à quatre bras qui forme le point de pivotement de l'articulation. Chaque bras est rectifié avec précision et durci pour résister aux contraintes de torsion continues.
• Cuvettes de roulement (chapeaux de tourillon) : Quatre boîtiers en forme de coupelle – un sur chaque bras de la croix – remplis de roulements à aiguilles. Ils permettent à chaque bras de tourner librement à l'intérieur du joug.
• Roulements à aiguilles : Petits roulements à rouleaux cylindriques à l'intérieur de chaque coupelle qui réduisent la friction et répartissent la charge sur la surface d'appui.
• Jougs : Les connecteurs fourchus fixés à l'arbre de transmission de chaque côté. Les cuvettes de roulement s'enfoncent dans les oreilles de l'étrier, complétant ainsi l'assemblage. Les deux jougs sont positionnés à 90 degrés l'un de l'autre sur la croix.

Le problème de fluctuation de vitesse et comment il est résolu

Un seul joint de cardan a une limitation inhérente : il introduit une variation de vitesse cyclique dans l'arbre de sortie à des angles supérieurs à 3 à 5 degrés . Lorsque le joint effectue un tour complet, l’arbre de sortie accélère et décélère deux fois par tour – un phénomène appelé fluctuation de vitesse ou erreur de vitesse angulaire. À un angle de fonctionnement de 10 degrés, cela provoque une vibration perceptible. À 20 degrés ou plus, cela devient grave.

La solution technique consiste à utiliser deux joints universels dans un arbre de transmission, avec les fourches phasées (positionnées) correctement afin que la fluctuation de vitesse du premier joint annule celle du second. C'est pourquoi presque tous les arbres de transmission automobiles ont un joint en U à chaque extrémité plutôt qu'un seul. Les angles de fonctionnement des deux joints doivent être à environ 1 degré l'un de l'autre pour une annulation efficace — un facteur critique lors de l'installation de l'arbre de transmission ou de la modification de la suspension.

Où se trouvent les joints universels dans un véhicule

Les joints universels apparaissent à plusieurs endroits de la transmission et du système de direction, en fonction de la configuration de transmission du véhicule. Comprendre leur emplacement permet d'identifier la source des symptômes lorsque des problèmes se développent.

Les véhicules à traction avant n'utilisent généralement pas de joints universels traditionnels dans l'arbre de transmission. Ils utilisent plutôt des joints homocinétiques (à vitesse constante), qui gèrent des angles de fonctionnement plus élevés sans fluctuation de vitesse. Cependant, de nombreux véhicules à traction avant utilisent encore de petits joints universels dans l'arbre de direction.

Types de joints universels : tous ne sont pas créés égaux

Il existe plusieurs conceptions distinctes de joints universels, chacune optimisée pour différents angles de fonctionnement, charges de couple et exigences d'application. Connaître les différences est utile lors du remplacement ou de la mise à niveau des composants de la transmission.

Joint en U à cardan (croix et roulement)

Le type de joint en U le plus courant dans les applications automobiles. Simple, peu coûteux et disponible dans une vaste gamme de tailles. Les joints cardan automobiles standard fonctionnent efficacement à des angles allant jusqu'à environ 15 à 18 degrés. , bien que la meilleure pratique consiste à maintenir les angles de fonctionnement de l'arbre de transmission en dessous de 3 à 6 degrés pour une longue durée de vie et un fonctionnement fluide. Ils nécessitent une lubrification périodique (versions graissables) ou sont des unités scellées à vie.

Joint en U à double cardan (CV)

Un joint à double cardan se compose de deux joints à cardan standard reliés par une douille de centrage et un ensemble rotule. Cette conception produit une véritable sortie à vitesse constante – éliminant la fluctuation de vitesse inhérente à un seul joint de cardan – à des angles allant jusqu'à 35 à 40 degrés. Les joints à double cardan sont standard sur les arbres de transmission avant de nombreux camions 4x4 et SUV , y compris les Ford F-150, Ram 1500 et Toyota 4Runner, où les angles de fonctionnement de l'essieu avant sont élevés en raison du mouvement de la direction et de la suspension.

Joint homocinétique Rzeppa

Techniquement, il s'agit d'un joint homocinétique plutôt que d'un joint en cardan traditionnel, le Rzeppa est le joint standard sur les arbres d'essieu à traction avant et les véhicules à suspension arrière indépendante. Il utilise six billes d'acier dans une cage pour transmettre le couple à des angles allant jusqu'à 47 degrés sans fluctuation de vitesse. Bien qu'il ne soit pas appelé joint de cardan dans l'usage courant, il remplit le même rôle dans les transmissions FWD et IRS.

Joints en U de style Spicer et non graissables (scellés)

Au sein de la catégorie Cardan, les joints universels sont divisés en fonction de la conception de la lubrification. Les joints universels graissables (avec raccord Zerk) durent beaucoup plus longtemps lorsqu'ils sont correctement entretenus. - généralement tous les 5 000 à 10 000 miles ou à chaque vidange d'huile. Les joints universels scellés (non graissables) sont livrés pré-emballés avec de la graisse et ne nécessitent aucun entretien jusqu'à leur usure, généralement entre 50 000 et 100 000 milles dans des conditions normales.

Signes avant-coureurs d'un joint en U défaillant

Les joints universels s'usent progressivement, mais leurs symptômes de défaillance sont généralement indubitables une fois qu'ils commencent. Les détecter tôt évite des dommages plus coûteux à la transmission et évite le risque pour la sécurité d’une défaillance soudaine de l’arbre de transmission.

Les symptômes les plus courants

• Bruit sourd ou cognement lors du changement de vitesse ou du changement de direction : L'un des indicateurs les plus anciens et les plus fiables. Le bruit sourd se produit lorsque le jeu dans l'articulation usée est rattrapé lorsque la charge d'entraînement s'inverse - caractéristique lors du passage de l'entraînement à la marche arrière ou lors de l'accélération à partir d'un arrêt.
• Vibration qui augmente avec la vitesse du véhicule : Un joint en U usé provoque un déséquilibre en rotation de l’arbre de transmission. La vibration commence généralement entre 45 et 55 mph et s'intensifie au-dessus de 60 mph. Cela peut ressembler à un grondement dans le plancher, le siège ou le levier de vitesses.
• Bruit de grincement à basse vitesse : Les roulements à aiguilles secs – provenant d’un joint graissable négligé ou d’un joint défectueux sur une unité scellée – produisent un grincement rythmique qui correspond à la vitesse du véhicule. C'est le dernier avertissement de l'articulation avant une défaillance physique.
• Rouille visible ou mouvement dans le joint : Une inspection physique montrant des taches de rouille autour des cuvettes de roulement, ou tout jeu latéral lorsque l'arbre de transmission est secoué à la main, indique un joint de cardan qui doit être remplacé immédiatement.
• Fuite de liquide de transmission au niveau du joint arrière : Un joint en U très usé peut faire vibrer l'arbre de transmission suffisamment violemment pour endommager le joint de l'arbre de sortie de la transmission, entraînant une fuite de liquide indépendante du joint lui-même.

Comment tester un joint en U à la main

1. Avec le véhicule soulevé en toute sécurité sur des chandelles et la transmission au point mort, passez la main sous l'arbre de transmission et saisissez-le près de chaque joint de cardan.
2. Essayez de faire tourner l’arbre de transmission tout en maintenant l’arbre adjacent immobile. Tout jeu de rotation (claquement ou jeu) ressenti dans le joint indique des roulements à aiguilles usés et un joint en U qui doit être remplacé.
3. Inspectez visuellement la présence de taches de rouille (décoloration orange ou rougeâtre autour des bords de la cuvette de roulement), ce qui indique un joint défectueux et une perte de lubrification.
4. Vérifiez tout mouvement latéral dans la croix - cela indique que les cuvettes de roulement sont desserrées dans l'arcade, signe d'usure avancée nécessitant une attention immédiate.

Remplacement du joint en U : coût, difficulté et quand bricoler

Le remplacement des joints de cardan est l'une des réparations de transmission les plus accessibles aux propriétaires de véhicules à tendance mécanique, mais elle nécessite des outils spécifiques et une attention particulière au phasage de l'arbre de transmission et aux spécifications de couple.

Coûts typiques de remplacement des joints en U

Remplacement du joint en U DIY : ce dont vous avez besoin

• Presse à joints en U ou étau d'établi avec douilles : Les cuvettes de roulement doivent être expulsées de l'arcade ; elles ne peuvent pas être extraites en toute sécurité avec un marteau et un poinçon sans risquer d'endommager l'arcade. Un outil de presse à joint en U coûte entre 20 et 50 $ dans les magasins de pièces automobiles.
• Pince à circlips : La plupart des joints universels automobiles sont retenus dans l'arcade par des anneaux d'arrêt internes (circlips) qui doivent être retirés avant que les cuvettes de roulement puissent être extraites.
• Clé dynamométrique : Les boulons de bride d'arbre de transmission nécessitent généralement 55 à 95 pi-lb selon le véhicule ; Un serrage insuffisant ou excessif peut provoquer des vibrations ou une défaillance des boulons.
• Marques de peinture ou de traçage avant le retrait : Marquez l'orientation de l'arbre de transmission par rapport à la bride du différentiel avant de déboulonner - un remontage déphasé provoquera des vibrations immédiates, même avec de nouveaux joints universels.

Quand remplacer les deux joints universels, pas un seul

La meilleure pratique de l’industrie consiste à remplacer simultanément les deux joints de cardan de l’arbre de transmission en cas de défaillance de l’un d’entre eux. Les deux joints subissent un kilométrage, des températures de fonctionnement et des cycles de contrainte identiques - si l'un est usé, l'autre est généralement à quelques milliers de kilomètres de la panne. Le coût supplémentaire des pièces du deuxième joint (15 $ à 60 $) est minime par rapport au coût de la main-d'œuvre d'une deuxième visite de réparation.

Joint en U ou joint homocinétique : comprendre la différence

Ces deux types de joints sont souvent confondus car ils remplissent la même fonction de base – transmettre le couple entre des arbres coudés – mais ils fonctionnent différemment et apparaissent dans différentes applications automobiles.

L’astuce pratique du diagnostic : si vous entendez un bruit sourd lors du passage de la marche arrière à la marche arrière, soupçonnez un joint de cardan . Si vous entendez un bruit de cliquetis ou de claquement spécifiquement lors des virages à basse vitesse (volant tourné presque complètement), suspectez un joint homocinétique.

Combien de temps durent les joints universels et qu'est-ce qui affecte leur durée de vie

La durée de vie des joints universels varie énormément en fonction de l'utilisation du véhicule, des pratiques de lubrification et de l'environnement d'exploitation. Dans des conditions routières normales, les joints universels scellés de qualité durent généralement entre 75 000 et 150 000 milles. . Les unités graissables entretenues dans les délais peuvent durer toute la vie du véhicule. Cependant, plusieurs facteurs raccourcissent considérablement cette durée de vie.

Facteurs qui accélèrent l’usure des joints universels

• Intervalles de graissage négligés : La cause la plus fréquente de défaillance prématurée des joints de cardan. Un joint graissable fonctionnant à sec, même sur quelques milliers de kilomètres, développe un contact métal sur métal dans les roulements à aiguilles, ce qui provoque une usure rapide. La plupart des fabricants recommandent de graisser tous les 5 000 milles ou à chaque vidange d'huile.
• Angles de fonctionnement excessifs : Les levées de suspension sur les camions 4 roues motrices sont un coupable courant. Soulever un camion de 3 à 4 pouces sans ajouter de kit de chute d'arbre de transmission ou d'éliminateur de joug coulissant peut augmenter les angles d'arbre de transmission jusqu'à 8 à 12 degrés - bien au-dessus de la plage optimale - réduisant la durée de vie du joint de cardan de 40 à 60 %.
• Utilisation tout-terrain et à couple élevé : Les accélérations brusques, le remorquage et l'articulation tout-terrain imposent tous des charges de couple maximales sur les joints universels qui dépassent de loin la croisière sur autoroute en régime permanent. Les camions utilisés régulièrement pour le remorquage peuvent voir des intervalles de remplacement des joints de cardan aussi courts que 30 000 à 50 000 milles.
• Ingestion d’eau et de contamination : Conduire dans des eaux profondes ou dans la boue peut éliminer le lubrifiant même des joints universels bien scellés. Les joints de cardan des véhicules tout-terrain devraient être inspectés et graissés (le cas échéant) après chaque traversée de cours d'eau importante.
• Pièces de rechange de mauvaise qualité : Les joints universels économiques de marques inconnues utilisent souvent de l'acier plus doux dans les cuvettes de roulement à aiguilles transversales et plus fines.

Joints universels au-delà de l'automobile : applications industrielles et autres

Alors que la plupart des gens rencontrent des joints de cardan dans le contexte des voitures et des camions, ces accouplements apparaissent dans une gamme remarquable de systèmes mécaniques partout où la puissance de rotation doit être transmise entre des arbres mal alignés.

• Matériel agricole : Les arbres de prise de force reliant les tracteurs aux outils tels que les tondeuses, les motoculteurs et les presses à balles utilisent des joints universels robustes conçus pour un couple élevé et un changement angulaire constant. Les joints universels agricoles sont généralement beaucoup plus grands que les unités automobiles : les tailles transversales de 1¾" à 2" sont courantes par rapport à la gamme ¾"-1⅜" de la plupart des joints automobiles.
• Machines industrielles : Les laminoirs, les usines de papier, les presses à imprimer et les équipements d'emballage utilisent de grands joints universels industriels (également appelés accouplements universels) pour transmettre la puissance entre les composants de la machine qui ne peuvent pas être parfaitement alignés. Les joints universels industriels peuvent être évalués pour des millions de livres-pouces de couple.
• Applications marines : Les moteurs de bateaux in-bord utilisent des joints universels dans l’arbre de transmission reliant la transmission à l’arbre d’hélice – un environnement difficile compte tenu des effets corrosifs de l’eau et des angles variables créés par l’inclinaison de l’arbre d’hélice.
• Aéronautique : De petits joints universels apparaissent dans les tringleries de commande des avions, les systèmes d'actionneurs et les arbres de transmission d'accessoires lorsqu'une transmission angulaire compacte et fiable est requise.
• Médical et robotique : Les joints universels miniatures (aussi petits que 2 à 3 mm) sont utilisés dans les instruments chirurgicaux, les effecteurs terminaux robotiques et les systèmes de positionnement de caméra où une transmission de mouvement angulaire précise et à faible friction est requise dans un très petit boîtier.