Quel est le but d’un joint en U ? Fonction et importance

Le but d'un joint en U — abréviation de joint universel — est de transmettre le couple de rotation et le mouvement entre deux arbres qui ne sont pas parfaitement alignés . Il agit comme un accouplement mécanique flexible qui s'adapte au désalignement angulaire, permettant à la puissance de circuler en douceur d'un composant rotatif à l'autre, même lorsque les arbres se rencontrent selon un angle plutôt qu'en ligne droite.

En termes pratiques, un joint de cardan permet à l'arbre de transmission d'un véhicule de transmettre la puissance du moteur aux roues même lorsque la suspension monte et descend et que la transmission change de position. Sans cela, le décalage rigide entre les arbres provoquerait des vibrations, une liaison mécanique ou une défaillance complète de la transmission. Les joints universels se trouvent dans les automobiles, les camions, les équipements agricoles, les machines industrielles et les systèmes de transmission marins.

Comment fonctionne mécaniquement un joint en U

Un joint en U se compose d'une pièce centrale en forme de croix - appelée croix ou araignée - avec quatre tourillons (bras) s'étendant vers l'extérieur à des angles de 90°. Chaque tourillon s'insère dans une cuvette de roulement, et les deux paires de cuvettes de roulement sont montées dans des chapes fixées aux deux arbres connectés. Cette configuration crée deux axes de pivotement perpendiculaires l'un à l'autre, permettant à la rotation de passer par un angle.

Un seul joint en U peut généralement s'adapter au désalignement angulaire de jusqu'à 15° à 25° en fonction de la conception, bien que le fonctionnement à des angles élevés augmente les contraintes sur les roulements et provoque une variation de vitesse dans l'arbre de sortie. Pour éliminer cette variation de vitesse - connue sous le nom de fluctuation de vitesse - deux joints universels sont généralement utilisés en série avec un étrier coulissant ou un roulement central entre eux, une configuration appelée arbre de transmission à double cardan ou en deux parties.

Le principe commun de Cardan

La conception standard du joint en U est officiellement appelée joint à Cardan, du nom du mathématicien italien Gerolamo Cardano qui a décrit ses principes au XVIe siècle. Sa principale caractéristique est que, même s'il transfère efficacement le couple, l'arbre de sortie ne tourne pas à une vitesse parfaitement constante par rapport à l'entrée : la vitesse varie cycliquement deux fois par tour. Cette variation est minime aux petits angles de fonctionnement (inférieurs à 3°) mais devient significative et potentiellement dommageable au-dessus 10° à 15° .

Joints à vitesse constante (CV) comme alternative

Lorsqu'une vitesse de sortie régulière est essentielle à des angles de fonctionnement élevés, en particulier dans les arbres d'essieu des roues avant, les joints homocinétiques remplacent ou complètent les joints universels. Les joints homocinétiques éliminent les fluctuations de vitesse inhérentes aux joints cardan, mais sont plus complexes et plus coûteux à fabriquer. Les joints universels restent préférés pour les applications intensives dans les arbres de transmission en raison de leur résistance, de leur simplicité et de leur facilité de remplacement.

Fonctions principales d'un joint en U dans un véhicule

Dans une transmission automobile, les joints de cardan remplissent simultanément plusieurs fonctions mécaniques interdépendantes :

• Transmission de puissance selon les angles : Le rôle principal est de transférer le couple moteur de la sortie de transmission via l'arbre de transmission vers le différentiel, même si le débattement de la suspension modifie l'angle entre les composants.
• Adaptation du mouvement de suspension : À mesure que l'essieu arrière monte et descend sur la chaussée, l'angle entre l'arbre de transmission et l'arbre de pignon du différentiel change constamment. Le joint en U absorbe cette variation angulaire sans interrompre le flux de puissance.
• Autoriser les changements de longueur dans l'arbre de transmission : Combinés à un étrier coulissant, les joints universels permettent à l'arbre de transmission de changer de longueur effective à mesure que la suspension se comprime et s'étend, empêchant ainsi l'arbre d'être déplacé.
• Réduire le stress de la transmission : En fournissant un point d'accouplement flexible, les joints en U empêchent les charges de choc rigides de se transmettre directement entre la transmission et le différentiel, prolongeant ainsi la durée de vie des deux composants.

Où se trouvent les joints universels dans différentes applications

Les joints universels ne se limitent pas aux arbres de transmission des voitures particulières. Ils apparaissent dans une large gamme de systèmes mécaniques partout où le mouvement de rotation doit traverser un écart angulaire :

Types de joints en U et leurs objectifs spécifiques

Différentes conceptions de joints de cardan existent pour répondre à différentes demandes en termes d'angle de fonctionnement, de capacité de couple, de vitesse et de douceur de fourniture de puissance :

Joint en U à cardan unique

Le type le plus courant. Simple, solide et peu coûteux. Utilisé dans la majorité des arbres de transmission à propulsion arrière. Idéal pour les angles de fonctionnement sous 10° . Les arbres de transmission standard des voitures de tourisme et des camions légers fonctionnent généralement entre 1° et 7° au niveau du joint de cardan sous une hauteur de caisse normale.

Double cardan (joint en U CV)

Deux joints à cardan montés en série avec une douille de centrage entre eux. Cet agencement annule la fluctuation de vitesse de chaque joint individuel, produisant une sortie fluide à vitesse constante. Couramment utilisé dans les arbres de transmission avant des camions 4 roues motrices et dans les applications d'essieu avant où l'angle de braquage crée de grands angles de fonctionnement, dépassant parfois 20° à 30° .

Joints universels Spicer/Dana (usage intensif)

Nommés d'après la marque Dana Spicer, il s'agit de joints à cardan robustes conçus pour les applications à couple élevé dans les camions, les bus et les véhicules tout-terrain. Ils utilisent des cuvettes de roulement plus grandes et des tourillons plus épais pour supporter des charges de couple qui détruiraient les joints universels standard des voitures de tourisme. Un joint Spicer robuste conçu pour un camion de classe 8 peut gérer des capacités de couple dépassant 10 000 lb-pi .

Joints universels de direction

Joints universels plus petits et précis utilisés dans les colonnes de direction. Ceux-ci fonctionnent à un couple très faible par rapport aux joints de transmission, mais doivent fournir un mouvement fluide et sans jeu afin que le retour de direction soit précis. Les joints de cardan de direction usés provoquent une sensation de direction sensiblement lâche ou bruyante.

Signes indiquant qu'un joint en U est défaillant

Étant donné que les joints universels sont des composants d'usure, en particulier dans les véhicules qui fonctionnent à des angles plus élevés ou qui transportent de lourdes charges, la détection précoce des symptômes de défaillance évite des dommages plus graves à la transmission. Un joint de cardan défectueux peut entraîner la séparation complète de l'arbre de transmission du véhicule, ce qui constitue un risque important pour la sécurité.

• Bruit sourd ou claquement lors du changement de vitesse : Un joint de cardan usé produira un bruit sourd lorsque la transmission passera de l'accélération à la décélération ou lors du passage de la marche arrière à la marche arrière. Ceci est dû à un jeu excessif dans les cuvettes de roulement.
• Vibrations à vitesse d’autoroute : Un joint en U avec des roulements usés ou grippés crée un déséquilibre dans l'arbre de transmission en rotation, produisant une vibration qui s'aggrave généralement au-dessus 45 à 55 mph .
• Grincement lors d'un mouvement à basse vitesse : Les roulements à cardan secs ou corrodés qui ont perdu leur lubrification grincent en rythme lorsque l'arbre de transmission tourne, ce qui est souvent plus audible lors des manœuvres de stationnement.
• Rouille ou usure visible sur la croix et les chapeaux de roulements : Lors de l'inspection visuelle, des taches de rouille autour des clips de retenue du chapeau de palier ou des rainures d'usure visibles dans les tourillons indiquent un joint en U qui doit être remplacé immédiatement.
• Fuite de liquide de transmission près du joint arrière : Un joint de cardan défaillant peut endommager le joint d'étanchéité de l'arbre de sortie de la transmission en créant des vibrations et une charge radiale, provoquant une fuite de liquide qui peut être confondue avec un problème d'étanchéité plutôt qu'un problème de joint de cardan.

Entretien et remplacement des joints en U

De nombreux joints universels modernes sont scellés et ne nécessitent aucun entretien, mais les véhicules équipés de joints universels graissables (identifiés par un graisseur ou un raccord Zerk sur la croix) doivent être lubrifiés à intervalles réguliers - généralement tous les 5 000 à 10 000 milles ou comme spécifié dans le manuel d'entretien du véhicule. La graisse force le lubrifiant frais dans les roulements à aiguilles à l'intérieur de chaque capuchon, déplaçant les contaminants et empêchant l'usure métal sur métal qui conduit à une défaillance prématurée.

Intervalles de remplacement

Il n'existe pas d'intervalle de kilométrage universel pour le remplacement des joints de cardan, car la durée de vie varie considérablement selon les conditions d'exploitation. Un joint de cardan bien entretenu sur une voiture de tourisme peu utilisée peut durer toute la vie du véhicule — 150 000 milles ou plus . Un joint de cardan sur un camion lourdement chargé utilisé pour le remorquage ou la conduite hors route peut s'user en 50 000 à 80 000 milles . Une inspection régulière à chaque vidange d’huile est l’approche de maintenance la plus fiable.

Coût de remplacement

Une pièce de joint universel de remplacement coûte généralement entre 20$ et 100$ pour la plupart des véhicules de tourisme. Le travail nécessaire pour extraire l'ancien joint et installer le nouveau ajoute 75$ à 200$ dans un atelier typique, en fonction de la complexité de l'arbre de transmission et si l'arbre doit être déposé et équilibré. Les joints universels pour camions lourds peuvent coûter beaucoup plus cher — 150 $ à 500 $ par joint selon la série et l'application.

Pourquoi le joint en U reste un composant essentiel de la transmission

Malgré l'utilisation croissante des joints homocinétiques dans les systèmes de traction avant et de transmission intégrale, le joint de Cardan traditionnel reste dominant dans les camions à propulsion arrière, les véhicules utilitaires, les équipements agricoles et les machines industrielles. Ses avantages sont simples :

• Capacité de couple élevée par rapport à la taille et au poids, ce qui le rend idéal pour les camions et les équipements lourds où le remorquage ou le transport génère des charges extrêmes sur la transmission.
• Remplaçabilité sur site — un joint de cardan peut être remplacé avec des outils manuels de base sur le terrain, contrairement à de nombreux ensembles de joints homocinétiques qui nécessitent un équipement spécialisé ou un remplacement complet de l'arbre de roue.
• Coût inférieur que les joints homocinétiques équivalents à des couples de serrage équivalents, ce qui est très important dans les opérations de flotte commerciale où les coûts des composants se multiplient sur des centaines de véhicules.
• Durabilité éprouvée sur plus d'un siècle de développement mécanique, avec un mode de défaillance bien compris, prévisible et gérable grâce à une inspection de routine.

Le joint en U résout un problème d'ingénierie fondamental : comment transmettre la puissance de rotation entre deux arbres qui ne peuvent pas être maintenus dans un alignement parfait - et le fait avec une élégance mécanique qui a peu changé depuis son adoption généralisée au début du 20e siècle.