Cet article détaille les principales informations concernant les joints de Cardan, leur utilisation et leurs défauts de fonctionnement, ainsi que les différents modèles que l’on retrouve sur un crawler.

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Les cardans

Les cardans ou joint de Cardan ( du nom de son inventeur, le mathématicien italien Girolamo Cardano ) ont pour rôle de transmettre le mouvement de rotation entre deux arbres concourants formant un angle qui peut varier. Si l’angle formé par les deux arbres est trop important ou/et si les deux arbres ne sont pas concourants, on utilise un cardan double. Les cardans simples vont être principalement utilisés au niveau du pont avant pour l’articulation des roues, tandis que les cardans doubles seront utilisés entre les ponts et la transmission, les arbres de transmission. À noter que, la distance entre les ponts et la transmission peut varier, il est donc nécessaire que le cardan double est une partie coulissante pour palier à cette variation.

Cardan simple et double

 

Angle de brisure d'un cardan

Angle de brisure d’un cardan

L’angle de brisure est l’angle que forme l’arbre de sortie par rapport à l’arbre d’entrée. À un angle de brisure de 0°, les arbres sont parallèles et le mouvement de rotation est homocinétique. Les cardans sont généralement fait pour travailler à un angle de brisure maximum de 45°. En crawler, on repousse souvent cette limite à plus de 60°, mais ce n’est pas sans conséquence ( voir : Les défauts des joints de Cardan).

 

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Les défauts des joints de Cardan

Rotation non-homocinétique

Dés que l’angle de brisure augmente, l’utilisation d’un seul cardan ne permet pas d’avoir une vitesse de rotation uniforme de l’arbre de sortie, c’est-à-dire une rotation homocinétique. Cette variation de vitesse augmente avec l’angle de brisure. Alors que l’arbre d’entrée a une vitesse de rotation constante, la vitesse de rotation de l’arbre de sortie ne sera pas uniforme, c’est-à-dire qu’elle va varier selon un cycle d’accélération puis de décélération. Pour un tour complet de l’arbre d’entrée, l’arbre de sortie subira deux cycles d’accélérations et deux cycles de décélérations. Cette variation de vitesse peut être importante, quand l’angle de brisure est de 60°, la vitesse de rotation de l’arbre de sortie par rapport à l’arbre d’entrée est multipliée par deux dans la phase d’accélération, puis divisée par deux dans la phase de décélération.

Le coefficient de variation de vitesse de rotation est calculé comme suit, pour un l’angle de brisure (b) :

(1)   \begin{equation*}  V_{sortie-min} = cos(b),\: V_{sortie-max} =\frac{1}{cos(b)}\end{equation*}

Pour rendre le mouvement de rotation homocinétique, il faut utiliser un deuxième cardan, correctement positionné selon deux paramètres.

Il faut que les deux cardans aient le même angle de brisure. Dès que les deux angles de brisures diffèrent, le problème de rotations non-homocinétiques réapparaissent. Pour calculer la variation de vitesse de rotation de l’arbre de sortie d’un cardans double, il suffit de soustraire la valeur des angles de brisure de chaque cardan. La valeur obtenue permet de calculer le coefficient de vitesse de rotation selon la méthode indiquée plus haut (1).

 Cardan double ayant le même angle de brisure

Cardan double ayant le même angle de brisure

Il faut aussi que les fourchettes du cardan central soient alignées ou en phase. Si les fourchettes sont en phase et les angles de brisures respectés, les effets des deux cardans s’annulent mutuellement, de ce fait l’arbre de sortie de l’arbre de transmission sera homocinétique par rapport à l’arbre d’entrée. Toutefois, la partie centrale de l’arbre de transmission n’aura pas une rotation homocinétique, ce qui ne pose pas de problème dans le fonctionnement du crawler.

Cardan fourchettes alignées

Cardans ayant les fourchettes correctement alignées ou en phase

Dans le cas ci-dessous, les fourchettes ne sont pas alignées ou déphasées. Dans ce cas, et même si les angles de brisure sont respectés, les effets se cumulent, augmentant encore plus l’effet de variation de vitesse.

Cardans ayant les fourchettes mal alignées

Cardans ayant les fourchettes mal alignées ou déphasées


 

Cette vidéo trouvée sur le net illustre parfaitement ce problème :  Constant Velocity to Variable Velocity. C’est un montage en Lego, avec deux arbres de transmission monté en série et volontaire déphasés. Les deux barres témoins oranges font toujours un tour en même temps, mais la barre de gauche subit des cycles d’accélérations/décélérations lors de sa rotation.

 

Une autre vidéo mettant là aussi bien en évidence l’importance d’avoir des angles de brisure identiques et des cardans bien en phase : Drive shaft velocity. La vidéo est en anglais, mais il suffit d’écouter le cliquetis de la carte pour comprendre.

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Les vibrations

La flèche rouge indique le sens de la flexion induit par la rotation du cardan

Flexion induite par la rotation du cardan

De par leur fonctionnement, les cardans induisent des vibrations, et ceux même si les rotations sont homocinétiques. Ces vibrations sont causées par un mouvement de flexion, qui tendent à diminuer l’angle de brisure. Pour chaque tour complet de l’arbre d’entrée, l’arbre de sortie subit deux mouvements de flexion. Ces vibrations augmentent avec l’angle de brisure.

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Des principaux types de cardans

Vous trouverez ci-dessous les principaux types de cardans utilisés sur un crawler.

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Les Dogbones

C’est le système le plus simple que l’on retrouve généralement sur les véhicules d’entrée de gamme. Il est uniquement constitué de deux pièces, un axe ayant une tête goupillée ( dont il titre son nom dogbone, traduire par os de chien) et la tête de cardan.

Cardan dog bone

Leur principal défaut est leur faible angle de fonctionnement. Il est vivement conseillé de rapidement les remplacer par des modèles ayant un angle de fonctionnement plus important.

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Les cardans classiques

Les cardans classiques sont formés de deux fourchettes qui s’articulent autour d’une noix centrale, généralement en forme de croix. Ce sont les cardans les plus utilisés, car ils offrent un bon angle de fonctionnement, tout en ayant un coût revient raisonnable grâce à leur simplicité.

Cardan classique

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Les cardans CVD

Les cardans CDV (CDV pour Constant Velocity Drive, traduire par Vélocité constante de rotation) sont des cardans qui permettent de supprimer (ou plutôt de grandement diminuer) le problème de rotations non-homocinétiques des cardans classiques. Ils sont toutefois plus complexes et ont un coût un peu plus élevé que les cardans classiques.

Cardan CVD

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