Brevet FR2307203A1 — publié le 19761105

La présente invention est relative à un joint d'arbre tournant qui comprend deux groupes de deux bagues glissantes coopérant dans un plan radial autour de l'arbre et dont une bague de chaque groupe est fixe, alors que l'autre bague est appliquée élastiquement sur la bague fixe et est agencée pour être entraînée par friction avec l'arbre, les bagues glissantes travaillant dans une chambre ferme et assurant l'étanchéité de celle-ci, cette chambre étant destinée à recevoir du liquide d'étanchéité autour de l'arbre. De tels joints d'arbre travaillant avec du liquide d'é- tanchéit sont utilisés pour assurer l'étanchéité d'arbres rotatifs contre les fuites d'un fluide sous pression contenu dans un corps ou carter de machine, par exemple un corps de pompe. Pour 4viter qu'un agent corrosif ou nuisible de quelque autre manière ne pAnètre entre les surfaces d'dtanch8ite du joint d'arbre qui glissent l'une contre l'autre ou bien pour empêcher que des impu retés solides du fluide de travail ne pénètrent dans le bottier d'étanch8ité, du liquide d'4tanchéit4 sous pression est admis dans une chambre annulaire disposée autour du joint d'arbre.La pression du liquide d'étanchéité est maintenue légèrement plus élevée que celle du fluide de travail qui doit être empêché de fuir autour de l'arbre. Pendant la rotation de l'arbre, du liquide d'étanchéité s'échappe en très petite quantité du boitier d'étanchéité, entre les bagues glissantes assurant l'étanchéité, en assurant le refroidissement et la lubrification des surfaces de glissement. Ainsi, du liquide d'étanchéité, d'une part, pénètre dans la chambre de travail de la machine et, d'autre part, s'échappe à l'en- droit où l'arbre quitte le boitier d'étanchéité. Le joint d'arbre comprend ordinairement deux groupes de deux bagues glissantes coopérant entre elles, l'une des bagues de chaque groupe étant fixe et assurant l'étanchéité sur la paroi intérieure du boîtier d'étanchéité, alors que l'autre est appliquée par un ressort agissant axialement sur la bague glissante fixe, tout en étant entraînée dans la rotation de l'arbre au moyen d'un dispositif quelconque. A chaque bague glissante rotative, un tel joint d'arbre connu est muni d1un entraîneur annulaire qui, lors de l'application axiale sur la bague glissante à l'aide d'une bague d'attaque élastique spéciale etplacée contre l'arbre, réalise un accouplement à friction entre la bague glissante et l'arbre avecipplication simultanée de la bague glissante. Pour réaliser la force élastique axiale nécessaire, un ressort hélicoSdal placé autour de l'arbre est disposé entre les entraîneurs annulaires pour écarter ceux-ci l'un de l'autre, vers les bagues glissantes respectives. De tels joints d'arbre travaillant avec un ressort héli cotidal central présentent l'inconvénient que la pression élastique, qui agit en dernier lieu sur la bague glissante, n'est pas parfaitement répartie. En fait, la partie terminale d'un ressort héli cotidal ne peut pas être agencée de manière que la pression de contact soit uniformément répartie sur toute la périphérie. D'un autre côté, les surfaces d'étanchéité coopérantes des bagues glissantes sont très sensibles à une charge irrégulière, car l'effet hydrodynamique de lubrification entre des surfaces très uniformes et planes est perturbé au cas où la pression d'application est irrégulièrement répartie. Cela peut donner lieu à une usure perturbatrice des bagues glissantes, avec pour conséquence une diminution de l'effet d'étanchéité.Lors d'un grippage éventuel entre les bagues glissantes, il peut également arriver que, suivant le sens de rotation, le ressort hélicoïdal se vrille vers le haut et arrive contre la paroi intérieure du boîtier d'étanchéité, ce qui annule tout effet dans l'ensemble du dispositif d'étanchéité. Un autre inconvénient est surtout que le ressort hélicoIdal a tendance à engendrer de la turbulence et de la mousse dans le liquide d'étanchéité, ce qui compromet l'effet d'étanchéité et de lubrification du liquide. Dans le susdit mode de réalisation tout particulièrement, qui comprend des entraîneurs séparés pour chaque bague glissante rotative, on a l'inconvénient que l'un des entraineurs et la bague glissante associée à celui-ci peuvent relâcher leur prise autour de l'arbre (par exemple en cas de grippage entre les bagues glissantes) et, ce faisant, le ressort hélicoïdal et l'autre entraîneur poursuivent leur rotation et le ressort glisse sur l'entraîneur immobile. En outre, il peut arriver que l'entraîneur soit bloqué sur l'arbre de manière à ne pas pouvoir exercer une pression axiale d'application sur la bague glissante. L'invention a pour but de réaliser un joint d'arbre qui élimine les inconvénients précités. Dans ce but, le joint d'arbre selon l'invention est caractérisé par un entraîneur annulaire disposé autour de l'arbre et compressible axialement entre les bagues glissantes rotatives, et qui, lors de la compression axiale ef fectuée par des organes élastiques, serre l'arbre, par des organes d'accouplement disposés entre l'entraîneur et les bagues glissantes assurer rotatives, pour/l'accouplement articulé, sans rotation, entre les- dits éléments, et par des organes élastiques axiaux, répartis sur la périphérie de l'arbre et disposés entre l'entraîneur et les bagues glissantes. L'invention permet d'obtenir l'arantage que le joint d'arbre a un entraîneur central commun qui,au montage, prend automa tiquement une position médiane avec une pression d'application uniformément répartie sur les deux bagues glissantes rotatives. Pour pouvoir serrer fermement l'arbre, l'entraîneur doit de préférence être soumis à des forces axiales de compression égales de chaque côté. L'entraîneur est solidaire en rotation de chaque bague glissante rotative et les deux bagues glissantes accompagnent donc toujours dans la même mesure la rotation de l'arbre, de sorte qu'il se produit toujours, dans les deux groupes dedaux bagues glissantes, des conditions identiques de glisseient et d'étanchéité.Grâce à la présenceB'organes élastiques répartis autour de l'arbre, la pression d'application sur la bague glissante rotative sera en outre uniformément répartie, ce qui provoque des conditions appropriées de glissement et de lubrification. Cette répartition uniforme de la pression d'application est également permise par le fait que l'entraîneur est solidaire, d'une manière articulée, du porte-bague portant la bague glissante, de sorte que des forces obliques provenant de l'entraîneur ne peuvent pas être transmises à la bague glissante.L'arrangement de l'entraîneur, du porte-bague et des ressorts a pour autre conséquence que le contour extérieur du joint d'arbre peut être essentiellement conformé selon une surface cy iindrique uniforme, de sorte qu'il n'existe pas d'éléments, sous forme de ressorts hélicoidaux ou analogues, qui puissent perturber par turbulence l'état du liquide d'étanchéité. Selon un mode de réalisation avantageux, l'entraîneur est télescopique avec un manchon extérieur et une bague télescopique J*plaçable axialement dans ce manchon. Ce dernier a un paulement conique qui converge vers l'arbre et la bague télescopique a une surface terminale conique symétrique vers cet épaulement. Entre ces surfaces coniques se trouvent une ou plusieurs bagues élastiques ?:!Vi 80 qui sont poussées contre l'arbre, lors d'une compression axiale de 'entraîneur, et réalisent un accouplement par friction autour de l'arbre. Deux ou plusieurs bagues d'accouplement élastiques peuvent éventuellement être employées, une bague-entretoise avec des faces terminales coniques convergeant vers l'arbre étant de préférence disposée entre les bagues élastiques. Les organes d'accouplement entre les bagues glissantes rotatives et l'entraîneur sont de préférence des porte-bagues recevant les bagues et ayant des bras axiaux engagés avec un certain jeu dans des gorges ménagées le long de h périphérie extérieure de l'entraîneur. Un jeu relativement faible est suffisant pour assurer l'accouplement sans torsion nécessaire et sans forces obliqùes perturbatrices sur la bague de glissement. Pour obtenir d'une manière appropriée la force d'application uniforme désirée dans le sens axial sur la bague glissante, des cages à ressorts annulaires peuvent être disposées au contact des faces terminales respectives de l'entraîneur. Dans ces cages à ressorts se trouvent des ressorts axiaux répartis autour de l'arbre, de préférence des ressorts hélicordaux, qui agissent entre la cage à ressorts et un épaulement intérieur du porte-bague de la bague glIssante. De cette manière, les ressorts sont séparés de la chambre environnante de liquide d'étanchéité,sans effet de turbulence perturbateur sur le liquide d'étanchéité. L'invention est décrite ci-dessous à l'aide d'un de ses modes de réalisation et avec référence aux dessins annexés. La fig.1 est une coupe longitudinale d'un joint d'arbre selon l'invention. La fig.2 est une coupe transversale selon la ligne I-I de la fig.1. La fig.3 est une coupe transversale selon la ligne II-II de la fig.1. On suppose que le joint d'arbre montré à la fig.1 se trouve dans un boîtier d'étanchéité constitué par un carter 1 et par un couvercle 2 rapporté sur le carter 1. Ce boîtier d'étanchéité est traversé par un arbre 3 partant de l'intérieur d'un corps de machine (à gauche de la fig.1) qui contient un fluide de travail. Il s'agit d'empêcher ce fluide de fuir le long de l'arbre 3. Le corps de machine peut être constitué, par exemple, par un corps de pompe dans lequel circule un fluide de travail sous une certaine surpression. Le boîtier d'étanchéité limite une chambre essentiellement cylindrique 30 autour de l'arbre 3. La chambre 30 reçoit le liquide d'étanchéité par une entrée (non représentée) et ce liquide peut être évacué par une sortie qui n'est pas non plus représentée. Deux groupes identiques, comprenant chacun deux bagues glissantes 4,9,assurent l'étanchéité de la chambre 30, d'une part, du côté de la machine et, d'autre part, vers l'extérieur. Chaque groupe comprend une bague glissante fixe 4 placée dans un porte-bague 5 qui, à son tour, est monté fixe dans le carter 1 ou le couvercle 2 et dont l'étanchéité sur le carter ou le couvercle est assurée par une bague torique 6. La bague glissante fixe 4 est constituée, de préférence, par du carbone. La bague de carbone 4 repose, le long d'un plan radial 8, sur la bague glissante rotative 9. Celle-ci est en acier et sa surface de glissement est garnie d'une couche dure, par exemple une couche d'oxyde de chrome 10. A l'aide d'une goupille 7, la bague 9 est solidarisée avec un porte-bague 12 et s'appuie dans un alésage pratiqué au tour dans la face terminale du porte-bague 12. L'étanchéité de celle des faces du porte-bague 12 qui est tournée vers l'arbre 3, sur ce dernier, est assurée à l'aide d'une bague torique 13. Le porte-bague 12 porte également un segment racleur Il en contact avec l'arbre 3. Le segment racleur 11 est placé, derrière la bague glissante 9,dans un évidement pratiqué au tour dans le porte-bague 12. Le segment racleur 11 a une section transversale rectangulaire à bord vif et est fait d'une matière plastique appropriée. Son rôle est d'empêcher de petites particules suspendues dans le fluide de travail de pénétrer dans le joint d'arbre au cas où la pression du fluide de travail est plus levée que celle qui règne dans la chambre 30 du liquide d'étanchéité. Chaque porte-bague 12 a une partie extérieure 14, en forme de collerette, qui s'étend vers un entraîneur 22.La partie 14,en forme de collerette, est prolongée par un certain nombre de bras d'entraî- neur 15 qui s'étendent axialement et pénètrent dans des gorges 25 à la périphérie extérieure de l'entraîneur 22. L'entraîneur, désigné dans son ensemble par 22, est montré en coupe axiale sur la fig.1 et en vue d'extrémité sur la fig.3. L'entraîneur comprend une bague extérieure ou manchon télescopique 23 et une bague intérieure ou bague télescopique 26. Cette dernière bague 26 est mobile axialement et guidée à l'intérieur du manchon télescopique 23; son mouvement vers l'extérieur est limité par une bague d'arrêt 27. La surface intérieure du manchon télescopique 23 a la forme d'un épaulement conique qui converge vers l'arbre 3. La surface terminale intérieure de la bague intérieure télescopique 26 a une forme conique symétrique. Entre lesdites surfaces coniques du manchon 23 et de la bague 26 se trouvent deux bagues d'accouplement élastiques 28, à section transversale circulaire, séparées par une bague-entretoise 29, dont les faces terminales coniques convergent vers l'arbre 3 et constituent des surfaces symétriques tournées vers les surfaces coniques opposées du manchon 23 et de la bague 26 respectivement. Les bagues d'accouplement élastiques 28 ont une section transversale telle, et les dimensions du manchon 23 et de la bague 26 sont telles, que les bagues élastiques 28, lorsqu'elles ne sont pas déformées, remplissent essentiellement l'espace annulaire compris entre le manchon 23, la bague 26, la bague-entretoise 29 et l'arbre 3, en réalisant avec ces éléments un contact linéaire et non superficiel. Lorsque l'entraîneur 22 est comprimé axialement par l'application de forces opposées sur les plans d'appui 21, les bagues élastiques 28 se déforment en exerçant une pression de friction sur l'arbre 3 et les autres surfaces environnantes. De cette manière, l'entraîneur 22 est accouplé par friction à l'arbre 3. Comme il ressort bien de la fig.3, la face extérieure du manchon 23 de l'entraîneur 22 est dotée d'un certain nombre de gorges axiales 25 qui sont limitées par des nervures 24 et, dans lesquelles sont engagés des bras d'entraîneur 15 de sens opposés et appartenant alternativement à l'un et à l'autre des porte-bagues 12. Dans l'exemple montré, chaque porte-bague 12 est doté de trois bras 15 uniformément répartis le long de sa périphérie, ce qui signifie qu'au total six bras 15 sont engagés dans des gorges correspondantes 25 le long de la périphérie de l'entraîneur 22. Chaque bras 15 est logé dans sa gorge 25 avec un certain jeu, ce qui permet un accouplement sans torsion entre l'entraîneur 22 et chaque porte-bague 12, sans que des forces obliques perturbatrices soient transmises, de chaque côté, au porte-bague 12 et, ainsi, à la bague glissante rotative 9. La position angulaire du plan d'action de cette dernière, par rapport à l'axe de l'arbre 3 peut donc être entièrement déterminée par le plan d'étanchéité radial 8 puisque la bague 9 est forcée sur la bague glissante fixe 4. L'accouplement entre l'entraîneur 22 et la bague glissante 9 se fait sans torsion, c'est-à-dire que la bague glissante 9 est toujours entraînée quand l'entraîneur 22 tourne, mais est simultanément articulée puisque des écarts angulaires peu importants par rapport à l'entraîneur 22 et au porte-bague 12 sont compensés par le jeu des bras 15 dans les gorges 25. Dans la partie évidée 14 du porte-bague 12 se trouve une cage à ressorts 16 qui peut coulisser axialement vers l'intérieur de la partie évidée 14 et guidéeaxialement au moyen de chevilles 19 engagées dans des rainures 20 qui sont dirigées axialement dans la partie évidée 14. Les cages à ressorts 16 reposent contre les faces terminales respectives de l'entraîneur 22 dans les plans d'appui 21. Un certain nombre d'évidements cylindriques 17, uni formément répartis le long de la périphérie, sont pratiqués dans les cages à ressorts annulaires 16. Dans l'exemple montré, il est prévu six tels évidements 17, dont l'emplacement et la forme cylindrique ressortent de la fig.2.Chaque évidement 17 reçoit un ressort hélicoïdal cylindrique 18 qui, d'un côté, repose sur le fond de cet évidement et, du côté opposé, contre un épaulement in térieur du porte-bague rotatif 12. Chaque ressort f8 exerce une pression capable d'assurer l'étanchéité dans le sens axial sur le porte-bague 12 et, ainsi, sur la bague glissante 9. Cette pression est absorbée par l'entraîneur 22 dans le plan d'appui 21. L'entrarneur 22 est ainsi comprimé axialement et, comme décrit cidessus, assure un accouplement à friction autour de l'arbre 3. Il est bien entendu que l'entraîneur 22 n'occupe sa position finale axiale que lorsque des pressions approximativement égales sont exercées sur les deux faces terminales. En fait, si une pression relativement importante était exercée sur une face de l'entrai- mur 22 et une pression faible ou nulle sur la face opposée, le manchontélescopique 23 ou la bague télescopique 26 sur le côté moins chargé serait déplacé vers les cages à ressorts correspondantes qui ne sont guère chargées, jusqu'S ce que la force des ressorts 18 sur le côté en question soit suffisante pour développer la force antagoniste nécessaire pour comprimer et déformer les bagues bfastiques28. En fait, les bagues 28 basculeraient ou rouleraient et, simultanément, glisseraient vers le côté faiblement chargé de l'entraîneur 22, avant qu'une telle force antagoniste ne soit développée. Le montage du joint d'arbre selon l'invention est très simple. Après l'enlèvement du couvercle 2 du boîtier d'étanchéité, 3n place le porte-bague 5 avec sa bague glissante fixe 4 dans le carter 1 du boîtier d'étanchéité. Ensuite, l'unité se composant des bagues glissantes 9, des porte-bagues 12, des cages à ressorts 16 et de l'entraîneur 22 peut être glissée sur l'arbre 3 jusqu'à ce que la bague glissante intérieure 9 bute contre la :vague intérieure fixe de carbone 4, Finalement, on monte le couver cle 2 avec une bague fixe en carbone 4 et un porte-bague 5 fixés à ce couvercle, de sorte que la bague en carbone 4 bute contre la bague glissante extérieure 9.Les dimensions du joint d'arbre sont maintenant adaptées de manière que le couvercle 2 exige un déplacement axial supplémentaire vers l'intérieur pour atteindre sa position finale montée, en contact sur la bride du carter 1 du boîtier d'étanchéité. Lors de ce déplacement axial final, les ressorts 18 sont comprimés et il en est de même, dans une certaine mesure, pour l'entraîneur 22, comme décrit ci-dessus. Lors de la compression, l'entraîneur 22 occupe automatiquement sa position finale au centre des bagues glissantes 9 avec accouplement à friction sur l'arbre 3.Les bagues glissantes 9 sont appliquées avec une charge uniformément répartie sur les bagues fixes en carbone 4; les porte-bagues 12, en raison du jeu existant entre les bras d'entraîneur 15 et les gorges 25, sont empêchés de donner naissance à des forces obliques en raison des écarts de montage minima qu'il est impossible d'éviter. En service, Joint d'arbre travaille avec une certaine surpression pour le liquide d'étanchéité dans lachambre 30. Ce liquide fuit en très petites quantités entre les bagues glissantes 4,9, dans le plan d'étanchéité radial 8, et exerce alors un certain effet de lubrification et, en même temps, un certain effet de refroidissement. Les deux endroits d'étanchéité travailleront en toute circonstance à la même vitesse de glissement et avec essentiellement la même pression d'application, de sorte que les mêmes conditions hydrodynamiques de fonctionnement règnent des deux côtés. En toute circonstance, les deux porte-bagues 12 tourneront à la même vitesse que l'entraîneur 22. Les ressorts 18 sont séparés de la chambre 30 du liquide d'étanchéité et, dans toutes les conditions, exposés seulement ou essentiellement à des forces axiales, à part des forces centrifuges parfaitement négligeables. Comme il est facile de limiter la compression maximale des ressorts 18, on voit qu'il existe de bonnes conditions pour assurer de façon sûre la pression d'application désirée et uniformément répartie entre les bagues glissantes. L'invention se prête à diverses variantes de réalisation. Ainsi, l'accouplement articulé entre l'entraîneur 22 et chaque bague glissante rotative 9 peut être modifié de différentes manières. En outre, d'autres types de ressorts, par exemple des res sorts plats de forme ondulée, peuvent être employés en lieu et place des ressorts hélicoldaux 18 montrés. REVENDICATIONS 1 - Joint dtarbre tournant qui comprend deux groupes de deux bagues coulissantes coopérant dans un plan radial autour de l'arbre et dont une bague de chaque groupe est fixe, alors que l'autre bague est appliquée élastiquement sur la bague fixe et est agencée pour être entraînée par friction avec l'arbre, les bagues glissantes travaillant dans une chambre fermée et assurant l'étan- chéité de celle-ci, cette chambre étant destinée à recevoir du liquide d'étanchéité autour de l'arbre, caractérisé en ce qutil comprend un entraîneur annulaire (22) disposé autour de arbre (3) et compressible axialement entre les bagues glissantes (9) rotatives, et qui, lors de la compression axiale effectuée par des organes élastiques (28), serre l'arbre, par des organes d'ac couplement (12,15) dispoassésreenrtre l'entraîneur (22) et les bagues glissantes rotatives, pouql'accouplement articulé et sans rotation entre lesdits éléments, et par des organes élastiques (18) axiaux, répartis sur la périphérie de l'arbre et disposés entre l'entraineur et les bagues glissantes. 2 - Joint d'arbre selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entraîneur (22) comprend un manchon télescopique ex térieur (23), une bague télescopique (26) déplaçable axialement dans ce manchon et une ou plusieurs bagues élastiques (28) qui sont disposées entre un épaulement conique intérieur se trouvant sur le manchon (23) et convergeant vers l'arbre (3) et une surface terminale conique de la bague (26) et symétrique par rapport à cet épaulement, et qui se déforment sur l'arbre (3) lors de ltenfonce- ment axial de la bague télescopique dans le manchon. 3 - Joint d'arbre selon la revendication 2, qui comprend au moins deux bagues élastiques dans le manchon télescopique, caractérisé en ce qu'il comprend une bague-entretoise (29) disposée entre les bagues élastiques (28) et ayant des surfaces terminales qui convergent coniquement vers l'arbre. 4 - Joint d'arbre selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les organes d'accouplement se composent de porte-bagues (12) qui sont solidaires des bagues glissantes rotatives (9) et dotés de bras (15) parallèles à l'axe et pénétrant avec du jeu dans des gorges (25), lesquelles sont ménagées le long de la périphérie du manchon (23) de l'entraîneur. 5 - Joint d'arbre selon l'ungquelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par des cages à ressorts annulaires (16) reposant sur les faces terminales respectives de ltentraineur (22) et agencées pour recevoir des ressorts axiaux (18) qui sont répartis autour de l'arbre et qui agissent sur un épaulement interne du porte-bague respectif (12) pour appliquer élastiquement les bagues glissantes rotatives-(9). 6 - Joint d'arbre selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ressorts (18) sont hélicoidaux et se trouvent dans le profil extérieur du porte-bague (12), et en ce que la cage à ressorts est guidée de façon à pouvoir se déplacer axialement dans le porte-bague.