arbre de Cardan

Un arbre de transmission à cardan est une tige rotative qui transmet la puissance mécanique entre deux arbres qui ne sont pas parfaitement alignés ou qui doivent se déplacer l'un par rapport à l'autre. Il se compose d'un tube ou d'une barre pleine, généralement en acier, avec des joints universels (également appelés joints de Cardan ou joints en U) montés à une ou aux deux extrémités. Le joint universel permet à l'arbre de fléchir et de compenser un désalignement angulaire allant jusqu'à 20 degrés ou plus, selon la conception du joint, tout en transmettant le couple en douceur.

L'arbre tire son nom du joint de Cardan, qui lui-même dérive de Girolamo Cardano, le polymathe du XVIe siècle qui a décrit la géométrie de ce mécanisme d'accouplement. Le joint universel comprend deux fourches et une pièce intermédiaire en forme de croix appelée croisillon ; lorsqu'une fourche tourne, le croisillon entraîne l'autre fourche, mais la relation angulaire entre l'entrée et la sortie varie légèrement à mesure que le joint tourne. Cet effet d'ondulation est compensé en utilisant deux joints universels sur un seul arbre, ou par un phasage soigneux d'un seul joint pour minimiser les vibrations.

Applications courantes et variantes

Les arbres de transmission à cardan sont standard dans les transmissions automobiles, où ils relient la transmission à l'essieu arrière ou transfèrent la puissance aux roues avant. Les machines industrielles les utilisent pour relier des lignes centrales de moteur et de boîte de vitesses désalignées, pour couvrir la distance entre un moteur principal et une charge éloignée, ou pour compenser la dilatation thermique et les supports d'isolation des vibrations. Le diamètre de l'arbre, l'épaisseur de la paroi et la capacité du joint sont dimensionnés pour supporter le couple continu maximal et les charges de choc en service. Certains arbres sont des tiges pleines ; d'autres sont des tubes creux, ce qui réduit le poids et l'inertie de rotation tout en maintenant la rigidité en torsion.

Les modes de défaillance comprennent la fissuration par fatigue à la base de l'arbre près du joint, l'écaillage ou le grippage des roulements du joint universel dus à l'usure ou à la contamination, et les vibrations induites par le déséquilibre si l'arbre se plie ou si les joints se déphasent. Le graissage régulier des joints universels est essentiel ; de nombreux arbres industriels sont équipés de raccords zerk à cet effet. Des joints usés ou endommagés transmettent des vibrations et créent du bruit, signalant la nécessité d'un remplacement immédiat pour éviter des dommages secondaires aux roulements et aux joints en aval.

L'arbre de transmission à cardan reste la méthode d'accouplement dominante dans les équipements mobiles et stationnaires car il est mécaniquement simple, fiable et tolère les désalignements réels sans procédures d'alignement spécialisées. Des alternatives telles que les accouplements élastomères ou les joints homocinétiques modernes répondent à des exigences différentes, mais la conception de Cardan est ancrée dans les machines lourdes, les équipements agricoles et les systèmes automobiles où le coût et les performances éprouvés sont les plus importants.