Brevet FR2301747A1 — publié le 19760917

La présente invention concerne un joint frotteur destiné à venir su contact d'une tige de piston animée d' un mouvement alternatif, Dans les dispositifs classiques utilisant un piston à commande hydraulique pour transmettre un mouvement à un dispositif situé en dehors de la chambre étanche contenant le flui de de travail, on prévoit toujours un joint étanche dans l'ouver ture à travers laquelle la tige de piston est animée d'un mouvement alternatif.Un tel joint consiste, en général, en une rondelle tori que élastomère entourant la tige du piston et située dans un évide ment correspondant du boftier, en un point situé en dehors de la chambre du piston. I1 est recommandé, tout particulièrement dans les applications.où, en dehors de la chambre hydraulique, la tige de piston est exposée à la poussière et à des substances salissan tes, de prévoir également un joint de frottement et de raclage pla cé au-delà du premier joint et en contact avec la tige de piston; ce de sème joint est destiné à empêcher les saletés, l'eau, la poussière et toutes les autres substances indésirables possibles d'atteindre le premier joint et, éventuellement, même de pénétrer dans la chambre du piston.Le besoin d'un tel "joint de barrage aux substances indésirables", ou joint frotteur, par ?bréviation, s'est particulièrement fait sentir dans le domaine de la fabrication ac tuelle des trains d'atterrissage, des montants~de-trains d'atterris sage, des dispositifs de commande en vol, des dispositifs de frei nage des roues, etc... Dans ces types d'applications, les joints frotteurs utilisés doivent avoir des performances satisfaisantes et, pour cela, avoir subi des tests de performance extrêmement sévères. \ Les principaux inconvénients constatés jus qu'à présent avec les joints pour tiges de piston sont les sui vante 1.- Malgré le contact effectif du joint frotteur et de la surface de la tige, un deuxième chemin de fuite se forme autour de la surface extérieure du joint, dans son évide ment de logement, et permet le passage de la poussière, des sale tés et de l'eau vers le premier joint, ce qui risque de le détério rer, 2.- Des mouvements axiaux non contrtlés du joint 1' intérieur de son logement peuvent entrabner -un effet de pompage au cours du mouvement alternatif de la tige de piston, et 3.- Un déplacement non contrtlé et nuisible du talon du joint par rapport à la tige, dû à la pression pouvant exister entre le joint statique et le joint frotteur, peut entrat- ner un déplacement de tout le joint par rapport à la tige et une disparition de l'étanchéité0 Un récent modèle de joint frotteur destiné aux dispositifs de commande des trains d'atterrissage est décrit dans le brevet américain 3.549.154; les avantages du joint proposé ici par rapport à celui décrit dans le brevet ci-dessus sont nettement mis en évidence dans la description ci-dessous de certaines caractéristiques de la présente invention qui n'existent pas dans le dispositif concerné par le brevet ci-dessus.Un autre modèle de joint étanche à la pression, destiné à permettre le maintien de la pression interne de dispositifs de commande aéronautiques pendant les vols en haute altitude, est décrit dans le brevet américain 2.413.671; ce brevet ne prévoit pas, cependant, de véritable dispositif efficace de frottement et de raclage de tiges de piston. Un des buts de la présente invention est donc de proposer un joint frotteur pour tiges de piston à commande hydraulique ou pneumatique remédiant aux inconvénients constatés dans les précédents dispositifs existants; un autre but de l'invention est de proposer un modèle de-joint frotteur simple, peu coQ- teux, capable de conserver longtemps des performances satisfaisantes, et susceptible d'autre soumis ave succès aux tests sévères effectués par les industriels. Ces buts sont atteints, conformément à 1'inventIon, principalement en prévoyant un dispositif de retenue mécanique du joint frotteur dans la position qu'il doit occuper à 1' intérieur de son logement et en faisant en sorte que seule la lèvre du joint frotteur, soumise à la force de rappel d'un ressort, reste au contact de la tige en formant avec elle un angle de valeur faible, cette dernière disposition étant destinée à permettre que toute pression interne devenue excessive pour le joint frotteur puisse autre automatiquement diminuée sans déplacement du joint0 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description ci après et des dessins annexés représentant deux exemples non limitatifs de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels :: - la figure 1 est une vue en coupe d'un montage muni d'un joint frotteur représenté sn place autour d'une tige de corzDende ce piston; - la figure 2 est une vue éclatée et en perspective du Joint frotteur et du ressort et - la figure 3 est une vue en coupe d'un autre montage à Joint frotteur, caractérisé par un dispositif de retenue différent. Sur la figure 1, la référence 1 désigne un boiter qui n' est représenté que partiellement et qui peut constituer, par exemple, la paroi cylindrique arrière de l'extrémité d'une chambre classique de piston; il s'agit plus précisément de la partie de paroi située au-delà du joint étanche (non représenté) entourant la tige de piston 2, cette tige étant, sous l'action d'une force hydraulique, animée dans l'ouverture centrale 3 d'un mouvement alternatif la faisant pénétrer dans la chambre du piston, ou au contraire, en ressortir, La paroi du boîtier, qu'on peut aussi appeler manchon de support de la tige, comprend un alésage 4 d'une certaine profondeur, terminé par l'épaulement 5 qui constitue le fond de la paroi interne de l'alésage 4. Un taraudage 6 prévu dans l'alésage 4 permet d'y visser une bague d'arrgt 7 filetée extérieurement de manière correspondante, mais sur une longueur axiale plus faible que l'alésage. Dans le cas du mode de réalisation représenté sur la figure 1, le diamètre principal des filets du taraudage de l'alésage 4 diminue dans la zone 8 au-delà de la bague d' arrdt 7, ea raison de l'amincissement classiques extrémité de l'outil de taraudage employé. D'autres types de baguea dràrr8t, telles que celle de la figure 3, peuvent entre utilisées. La figure 2 représente en perspective le loint frotteur 10, qui, en service, est énergiquement serré entre l'extrémité 9 de la zigue de retenue 7 et l'epaulement 5 du bot- tier 1. Le joint frotteur comprend un corps annulaire cylindrique Il formant une sorte de paroi assez épaisse de diamètre extérieur sensiblement égal (au Jeu près) à celui de l'alésage 4, et un épaulement cylindrique 12 de diamètre beaucoup plus faible, formant saillie au voisinage du diamètre intérieur du joint, de telle manière que, vu en demi-coupe radiale, l'assemblage de ces deux parties du Joint frotteur forme la lettre L. Le fond du bottier 1 qui forme l'épaulement 5, présente sur la figure une légère inclinaison vers la droite si on ltemamine dans un plan radial et en se dépla- çant te la paroi de l'alésage 4 vers son axe central, il forme donc un angle aigu a, avec une droite perpendiculaire à l'axe central. Cet angle est compris, de préférence, entre 5 et 15 de degrés; il peut être supérieur, mais sera, de préférence, voisin de 15 degrés. La paroi arrière du joint frotteur 10, c'est-à-dire la section droite qui termine l'épaulement cylindrique 12, présente, dans le cas du mode de réalisation représenté ici, une inclinaison du même angle a et se trouve donc parallèle à l'épaulement 5, de sorte que, lorsque le joint frotteur 10 est en place, sa paroi arrière s'applique exactement sur l'épaulement 5. L'orifice central 14 du joint frotteur 10 est tronconique, la base du tronc de cane, de diamètre supérieur, se trouvant du cbté de l'épaulement 5 et l'extrémité de diamètre inférieur se trouvant du coté de l'épaulement 12 en saillie; la face interne ainsi dessinée se rétrécit donc progressivement de la section terminale du corps 11 vers la section terminale de l'épaulement 12. Lorsque le joint frotteurn'est pas encore en place, le diamètre le plus faible de son orifice central 14 est légèrement inférieur à celui de la tige, de manière à ce que le joint frotteur, réalisé comme on le verra plus loin en un matériau à faible frottement, constitue avec la tige un assemblage très serré lorsqu'on le met en place sur elle.Pour que la présente invention présente le maximum d'intérêt, l'angle d'inclinaison de la face interne de l'- orifice 14 doit être compris dans une certaine gamme : on a constaté que l'angle b entre la face interne de l'orifice et 1'axe longitudinal, c'est-à-dire l'angle entre la face interne de l'orifice 14 et une perpendiculaire à la base du tronc de cône, devait avoir une valeur voisine de 10 degrés. Les angles indiqués dans la présente description peuvent varier entre 5 et 15 degrés. Â son extrémité la plus proche de l'orifice central du Joint, la bague de retenue 7 comporte un évidement inté- rieur cylindrique définissant une chambre annulaire entre l'épaulement intérieur 15 de cet évidement et la paroi avant du corps du Joint frotteur (celle des deux faces du corps 11 qui, en service, est serrée contre le talon 9 de la bague de retenue). Lorsque la bague de retenue est serrée contre le Joint frotteur 10, un ressort 16 en fil enroulé est en place dans cette chambre située entre lié- paulement intérieur 15 et la paroi avant du corps il du Joint.Si l'on considère la section longitudinale en forme de L du Joint frotteur 10, la zone de jonction des branches du L présente un arrondi 17 dont le rayon est inférieur celui du ressort 16, de manière à ce que, la bague de retenue étant en position de foncticn- nement et donc serrée contre le joint frotteur 10, l'épaulement 15 applique le ressort 16 dans l'angle des branches du L dessiné par le Joint, là où se trouve l'arrondi 17 du joint frotteur. La pression dirigée vers l'intérieur qu'exerce le ressort sur la lèvre 20 maintient celle-ci au contact de la surface de la tige 2. La section terminale 22 de la lèvre 20 présente une légère inclinaison vers la gauche si on l'examine dans un plan radial et en se déplaçant de la surface de la tige 2 vers l'extérieur; elle forme donc un angle c avec une droite perpendiculaire à l'axe central, ce qui donne à la lèvre des propriétés de raclage permettant de nettoyer efficacement la surface de la tige des substances indésirables qui la recouvrent.Ce contact énergique entre la lèvre 20 et la partie 12 et la tige 2 présente l'utilité suivante : pendant le mouvement de sortie de la tige hors de la chambre du piston, le Joint frotteur 10 frotte la surface de la tiges sous l'angle b, pendant le retour de la tige dans la chambre, le bord de contact de la lèvre râcle la surface de la tige sous l'angle c. La figure 3 représente un autre mode de réalisation de l'assemblage du Joint frotteur et du dispositif de retenue. Les pièces identiques à celles des figures 1 et 2 portent les mêmes références, mais avec l'indice prime ('). La tige 2' est susceptible dtun mouvement alternatif par rapport à un bolier 30 munx dtan filetage externe 32 sur lequel vient se mettre en place le taraudage 36 dtune bague de retenue 34. L'élément frotteur 10' est maintenu dans la pos-tior souhaitée représentant un contact simultané avec le bottier 30 et ~la bague 34. La lèvre du Joint frotteur 10' est prévue de manière à subir l'action du\ressort 16'. Le joint frotteur 10' et le ressort 16' fonctionnent de la meme manière que celle indiquée à propos du joint frotteur 10 et du ressort 16. La nature du dispositif de retenue choisi ne constitue pas une limitation de la présente invention. La fixa- tion de la bague de retenue sur le bottier n'est pas nécessairement réalisée au mcyen d'un filetage et d'un taraudage. Tout autre moyen de fixation de la bague peut être envisagé. Le joint 10 est réalisé en un matériau plastique rigide caractérisé par un faible coefficient de frottement et une faible capacité d'adhérence. La résine moulée choisie par exem ple pour le joint frotteur est suffisamment dure pour- ëtre usnée, et, en même temps, suffisamment souple pour se déformer sous 1' action d'une pression de valeur suffisante. Ce matériau sera, de préférence, du polytétrafluoroéthylène pur ou non (plus connu sous le nom de TEFLON).Le ressort 16 est réalise, de préférence, en un fil sans fin bobiné, mais d'autres matériaux souples remplissant la même fonction, peuvent lui autre substitués t on peut, par exemple, utiliser une rondelle en matière élastomère, caractérisée par 1'existence d'une force radiale de rappel lorsqu'elle est en fonc tionneme nt. La périphérie de la bague 7 peut comporter des fentes, des parties en saillie, des méplats ou tout autre dispositif classique permettant la mise en place rapide d'un outil pour effectuer le serrage de la bague. Après avoir décrit les éléments du montage dans lequel est inclus le Joint frotteur, et leur disposition par rapport à une tige de piston soumise à une force alternative de ns- ture hydraulique, on peut mettre en évidence quelques uns des avantages de la présente invention. Il résulte de la description précédente que, bien qu'un joint classique consistant en une rondelle torique ou une pièce équivalente, puisse théoriquement être utilisé dans l'ouverture de la chambre du fluide à travers laquelle la tige du piston est animée d'un mouvement alternatif, un tel Joint est apparu comme insuffisant pour prévenir les fluites de fluide hors de la chambre hydraulique ou empêcher la pénétration de poussières et autres substances indésirables qui se fixent sur la tige lorsqu'elle est en dehors de la chambre étanche.Ces substances indésirables peuvent traverser le joint et entraîner des détériorations du joint ou du dispositif. Le problème est particulièrement sérieux lorsqu'à l'extérieur de la chambre du piston, la tige du piston se trouve dans un milieu sale et poussiéreux. C'est pour cette raison que des joints frotteurs, ou joints de barrage aux substances indésirables, sont mis en place au contact de la tige de piston dans la zone extérieure à la chambre 4 ils sont destinéa à assurer la protection souhaitée contre les substances indésirables qui peuvent s'introduire dans la chambre par le seul fait du mouvement de retrait de la tige du piston. La conception du dispositif décrit ci-dessus pallie certains inçonvéniente des dispositifs précédents. Par exemple, le joint frotteur 10 utilisé dans le montage proposé, non seulement f-otte et racle la surface de la tige du piston pendant s-n mouvement alternatif, mais aussi joue le r31e d'un joint étanche statique par rapport à la surface de la tige. En effet, comme la lèvre 20 est normalement en contact de frottement avec la surface de la tige 2 sous l'action de rappel du ressort 16, elle empêche toute fuite de fluide qui aurait réussi pour une raison quelconque à traverser le Joint classique.La lèvre exerce cette action de Joint tant que la pression du fluide présent entre la lèvre du Joint frotteur 10 et la surface de la tige est insuffisante pour vaincre la force de rappel due au ressort qui maintient la lèvre 20 au contact de la tige. Si la pression du fluide enfermé sous la lèvre 20 dépasse la pression de fonctionnement exercée contre elle par le ressort, la lèvre se soulève sous l'action de cette pres sion excessive et permet le passage du fluide, mais empêche l'écou- lement inverse de ce fluide lorsque la tige effectue son mouvement de retrait, grace à l'action de raclage effectuée par la lèvre à l'aide de sa surface 22. Dans le mode de réalisation décrit ici, où l'on utilise un Joint frotteur en Téflon, mis en place de la manière indiquée et maintenu par l'action appropriée d'un ressort, la lèvre est destinée à résister à des pression internes de l'ordre de 0,7030 kg/cm2.En outre, soumise ainsi à l'action d'un ressort, la lèvre suit d'autant mieux et d'autant plus près les petits mou vements rapides de la tige dans le sens sradial, mouvements qui sotkt très classiques dans les dispositifs à tige hydraulique. Cela ac croit l'efficacité de la lèvre en tant que Joint frotteur. Dans le mode de réalisation décrit ici con Xformé-ment à l'invention, la section terminale arrière du corps du Joint frotteur 10 a une forme destinée à lui permettre de s'appli- quer exactement conté la paroi inclinée de l'épaulement 5 du boî- tier, le Joint étant énergiquement maintenu contre cette paroi sous l'action de serrage exercée par la bague de retenue 7. Cette conception empêche tout mouvement du corps il dans une direction parallè le à l'axe de la tige et par là même, tout mouvement de pompage. D'autre part, le déplacement radial du talon du joint frotteur vers la tige par écrasement du corps 11 ne peuv pas se produire grâce à l'inclinaison de l'épaulement 5, inclinaison dont l'existence permet de maintenir constant l'angle b entre le talon du joint frot teur 10 et la tige. Lors de l'assemblage du joint frotteur 10 et du report 16 dans le cylindre hydraulique et lors de -la mise en place de la bague de retenue 7, la tige de piston 2 n'est pas pré- sente. La mise en contact de l'épaulement incliné 5 du boîtier et de la section d'inclinaison correspondante du joint frotteur assure un auto-centrage qui rend concentriques le joint frotteur et le bottier sans la présence de la tige de piston qui aurait, elle aussi permis ce centrage. Telle qu'elle a été décrite, la bague de retenue 17 remplit plusieurs reles 1.- L'existence de l'épaulement 15 empêche tout mouvement du ressort 16 tendant à le faire sortir du logement qu'il occupe entre l'épaulement et le joint frotteur 10, 2.- la bague de retenue est un moyen de maintien mécanique du joint frotteur 10 dans sa position; et 3.- la bague exerce contre le joint frotteur une force de compression axiale qui fait Jouer à celui-ci le rôle d'un Joint de surface destiné à empêcher l'existence de fuitea statiques autour du ressort et le long des parois latérale et arrière de l'alésage 4. L'angle aigu que forment la lèvre 20 et la tige à la fois par rapport à l"axe et par rapport à un plan radial permet, d'une part, le frottement de la tige au cours de son mouvement complet et la retenue de la petite quantité de fluide qui peut se trouver au-delà du point de contact de la lèvre du joint frotteur et de la tige, et permet, d'autre part, un raclage effica ce, par la surface 20 du Joint, des substances indésirables présentes sur la tige pendant le mouvement de retour de celle-ci à I' - intérieur de la chambre. Le Joint frotteur conforme à l'invention a été décrit ici dans son application aux équipement aéronautiques à commande hydraulique, mais il est manifeste qu'il ne s'agit pas là d'une limitation de l'invention et que le Joint peut également s'utiliser dans d'autres équipements industriels et dans des installa- tions où il est nécessaire d'assurer le frottement et le raclage d'une tige animée d'un mouvement alternatif. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 10) Joint frotteur destiné à venir au contact d'une tige de piston animée d'un mouvement alternatif, joint frotteur caractérisé en ce que le montage dont il fait partie comporte un bolier doté d'une ouverture centrée sur son axe et dans laquelle la tige de piston est animée d'un mouvement alternatif, ce bottier comportant une cavité centrée sur son axe et située dans l'extrémité du bottier dont le diamètre est supérieur à celui de l'ouverture centrée sur l'axe et délimitant la paroi intérieure arrière de la cavité ; un joint frotteur annulaire réalisé en matière plastique dure et peu sensible à l'usure, placé à l'intérieur de la cavité, ce joint frotteur comprenant un corpus principal, et une portion de lèvre du joint frotteur s'étendant axialement à partir du corps principal vers l'avant du bottier ou verS l'éxtérieur du boitier, cette lèvre étant traversée ainsi que le corps, par une ouverture centrale une bague de retenue annulaire fixée sur le bottier, la surface interne de cette bague étant en contact avec la face avant du corps du joint frotteur, de manière à maintenir la face arrière du corps du joint en contact avec la paroi intérieure arrière de la cavité et à constituer ainsi un joint statique, la bague de retenue comportant, en outre, un épaulement faisant saillie dans un plan radial et délimitant une chambre entre ltépaulement et le joint frotteur (10) et un ressort entourant la surface extérieure d'une partie au moins de la lèvre dans la zone où celle-ci et le corps font leur jonction, l'ouverture centrale du joint frotteur annulaire étant tronconique, le diamètre de la base du tronc de cive étant supérieur à celui de la tige qui le traverse, et le diamètre de l'autre extrémité du tronc de cône étant légèrement inférieur à celui de la tige, de manière à ce que seule l'extrémité de la levre du joint frotteur soit en contact avec la tige, le reste de la surface interne du joint frotteur s'éloignant avec une inclinaison constante de la surface de la tige. 20) Joint frotteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le fond de la cavité présente une inclinaison vers l'avant si on l'examine dans un plan radial en se dépltçant vers l'axe de l'ouverture, et en ce que la section terminale arrière du corps du joint frotteur présente une inclinaison s'adaptant exactement à celle du fond de la cavité. 3 ) Joint frotteur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la pression exercée sur la lèvre par le ressort imprimant une action radiale dirigée vers l'intérieur, est suffisante pour maintenir énergiquement l'extrémité de la lèvre en contact avec la surface de la tige, mais permet un soulèvement de courte durée de l'extrémité si une pression hydraulique trop élevée est appliquée sur la surface intérieure de la lèvre, cette pression permettant à la lèvre de suivre fidèlement tout mouvement radial de la tige se produisant sous l'effet de vibrations du dispositif ou de ltexistence de la charge normale du dispositif.