Brevet FR2350525A1 — publié le 19771202

L1invention a pour objet un joint d'étanchéité amélioré et, plus particulièrement mais non exclusivement, un joint d'étanchéité pour arbre en rotation. Jusqu'à présent, quand on construit des-appareils dans. lesquels des joints d'étanchéité doivent assurer l'her- métieité entre un arbre et une pièce alors qu'il existe un mouvement relatif de rotation entre cet arbre et cette pièce, on a eu tendance à éviter l'emploi de joints du type à lèvres parce que la résistance due au frottement qui existe entre l'arbre et la pièce est susceptible de devenir trop importante et de gêner le mouvement de rotation souhaité. En outre, dans certains appareils, par exemple les convoyeurs du type à rouleaux tournant librement, il est de pratiquegénérale de prévoir une enveloppe qui est ajustée sur le rouleau et qui entoure l'arbre Un joint d'étanchéité aux poussières est conçu pour être monté sur l'arbre et pour venir en contact tournant avec l'enveloppe afin d'assurer l1herméticité nécessaire. Toutefois, une telle combinaison n'est satisfaisante que pendant une durée limitée parce que le joint travaille contre l'arbre et/ou tend à s'incliner par rapport à l'axe de ce dernier et à devenir inefficace. Il y a une dizaine d'années, une méthode courante de fabrication d'un joint d'étanchéité à l'huile en caoutchouc synthétique consistait à réaliser par moulage une pièce ayant un profil de base puis à tailler cette pièce pour lui donner une lèvre au profil souhaité . On obtenait ainsi un joint dans lequel la lèvre venait en contact avec l'arbre dans un plan perpendiculaire à l'axe de ce dernier. Pendant son fonctionnement ce type de joint fonctionne avec un film d'huile dont l'épaisseur peut être estimée, approximativement, à 2,5 millièmes de millimètre. La tension superficielle de l'huile dans la zone de l'interface huile-air produit un ménisque et donne naissance à une force favorable à l'étanchéité. I1 est évident que cette force est tout-à-fait faible et qutil faut un très petit changement de la force s'exer çant radialement sur la lèvre pour permettre à ce film de devenir trop épais, ce qui donne naissance à une fuite d'huile. A cette même époque environ, les fabricants de joints d'étanchéité pour huile ont commencé à étudier l'emploi de divers moyens pour mettre à profit les forces hydrodynamiques axiales en vue d'accroître l'efficacité des joints. Les premières réalisations de ces joints présentaient des rainures ou des dépressions hélicoidales sur le côté exposé à l'air de la lèvre d'étanchéité. Ceci donnait naissance à des configurations du contact avec l'arbre dans lesquelles des arêtes angulaires avaient pour rôle de renvoyer l'huile vers le côté de l'huile du joint lorsque celui-ci commençait à fuir. Cependant, ce type de joint ne peut être utilisé que sur un arbre toujours en rotation dans un même sens et que ce sens est connu. Pour cette raison on a appelé ces-joints des joints hydrodynamiques monodirectionnels. On a réalisé plusieurs types de joints hydrodynamiques bidirectionnels en utilisant encore des configurations diverses sur le côté de l'air de la lèvre. En général, ces configurations donnent naissance à des poches avec des côtés inclinés de telle façon que,lorsque de l'huile pénètre dans les poches, elle en est repoussée par l'un des côtés inclinés. Tous ces types de joints présentent trois difficultés principales 1. Il est difficile de fabriquer les moules pour les réaliser en raison de leur forme complexe, et, par conséquent, ces joints sont coûteux ; 2. Il est difficile de reproduire les profils désirés d'une manière suffisamment constante parce que les moules se salissent et, dans certains cas, le caoutchouc ne pénètre pas bien dans les dépressions, ce qui donne naissance à une difficulté de contrôle de la qualité ; 3. Pendant le fonctionnement, des poussières ou d'autres corps étrangers tendent à se réunir dans les dépressions et, souvent, à inverser l'angle d'inclinaison, ce qui est la cause de fuites des joints. Le type classique de joint d'étanchéité évoqué plus haut, ayant une lèvre à surface taillée, a une étroite bande de contact située dans un plan à angle droit par rapport à l'axe de l'arbre. Le fait que cette bande est étroite signifie qu'il n > y a pas une grande surface de transfert de chaleur et que la température en-dessous de la lèvre peut être bien supérieure à celle de l'huile environnante, ce qui est la cause d'une réduction de la durée du joint. Llune des difficultés que l'on rencontre avec les joints du type à lèvre radiale est que le fabricant ne peut pas contrôler la surface d'étanchéité contre laquelle frotte le joint ; par conséquent l'efficacité de ce dernier repose dans une grande mesure sur le fabricant de l'arbre. On monte aussi fréquemment des joints sur des arbres usés dont la surface n1 est pas satisfaisante pour assurer une bonne étanchéité. Après 500 heures de fonctionnement dans des conditions de propreté, la lèvre d'un joint du type ci-dessus ne devrait avoir produit qu'un polissage léger de l'arbre mais, lorsque ce joint a fonctionné avec de la poussière abrasive sous la lèvre, celle-ci peut avoir taillé une rainure profonde dans l'arbre, de sorte qu'une fuite peut se produire très rapidement. Ceci fait ressortir l'importance de la suppression de toute poussière dans les joints d'étanchéité à l'huile. Afin de comparer l'efficacité- de différents moyens pour éliminer la poussière, on utilise un équipement normalisé d'essai à l'huile comprenant un impulseur monté à l'extrémité d'un arbre d'une façon telle que,lorsque ce dernier tourne, des ailettes prélèvent un milieu et le projettent contre la face extérieure du joint d'étanchéité. Le milieu utilisé est un mélange de 20 parties en volume d'une poudre de ciment dont la granulométrie ne dépasse pas 105 microns, et 100 parties d'un sable dont les dimensions ne sont pas supérieures'à 1.400 microns et ne sont pas inférieures à 300 microns. Le sable circule librement et maintient en mouvement la poussière-de ciment Selon une méthode d'essai normalise, l'arbre tourne à 1.200 tours/minute et les joints d'étanchéité doivent garantir l'étanchéité par rapport à une huile de qualité EP 90 (extrême pression) à une température de 3200. L'arbre a une rugosité de surface dont l'écart moyen arithmétique (r.a-) est de 0,2 à 95 micromètre et une excentration totale de 0,18 mm environ. L'essai se fait pendant un cycle de 45 minutes de fonctionnement et de 15 minutes de repos chaque jour pendant une durée de 20 heures. L'arbre reste immobile pendant les 4 heures restantes et les moyens de chauffage sont arrêtés. Un tel essai est extrêmement sévère et il permet d'établir facilement la qualité des différents moyens connus de protection contre les poussières. JOINT AVEC JEU DU TYPE A LEVRE DE FROTTEMENT EN CAOUTCHOUC SYNTHETIQUE Un essai de ce joint ayant une lèvre de frottement avec un contact négligeable contre l'arbre, conçu pour assurer une prote-ction dans des conditions normales d'empoussièrement et n'ayant pas encore provoqué un échauffement de l'arbre avec un raccourcissement subséquent de sa durée de vie, a révélé que de la poussière de ciment s'était accumulée sous la lèvre après seulement 20 heures de fonctionnement. JOINT A LEVRE DE -FROTTEMENT PLANE EN CUIR On a essayé un joint ayant un moyen d'arrêt des poussières du type à lèvre plane en cuir. Après un essai de 20 heures onn'a constaté aucune défaillance mais après un essai de 68 heures la-poussière a commencé à pénétrer sous la lèvre frottante et après 500 heures poussière s'était agglomérée à l'intérieur du joint. JOINT A LEVRE DE FROTTEMENT EN FEUTRE On a essayé un joint ayant une lèvre frottante en feutre et après 20 heures la poussière a commencé à trouver un chemin à travers le feutre mais ne pénétrait pas encore à travers le joint. Après 500 heures la poussière avait pénétré au-delà de la lèvre et elle formait de petites billes de ciment. JOINT AVEC LEVRE DE FROTTEMENT EN CAOUTCHOUC SYNTHETIQUE DU TYPE A CONTACT NON FLEXIBLE On a essayé ensuite un joint avec une lèvre de contact en caoutchouc du type non flexible. Avec ce type de joint les lèvres s'usent habituellement à la dimension de l'arbre dès les premières heures. Après 16 heures la poussière a commencé à pénétrer au-delà de la lèvre. JOINT A LEVRE DE FROTTEMENT EN CAOUTCHOUC SYNTHETIQUE DU TYPE A CONTACT FLEXIBLE On a essayé un joint ayant une lèvre de frottement du type souple avec un serrage de 0,76 mm. Après 16 heures aucune poussière n'avait pénétré au-delà de la lèvre. Après 500 heures la poussière s'était accumulée entre les lèvres. MESURE DU COUPLE PRODUIT PAR LES LEVRES FROTTANTES Des valeurs typiques du couple produit par les lèvres frottantes sont les suivantes , mesurées sur un arbre ayant un diamètre de 38,l mm et exprimées en g x cm Cuir 2.014 - 5.178 Feutre 1.150 - 2.876 Racleur synthétique nonflex2Se 1.438 - 1.726 Racleur souple 288 - 575 Afin d'apprécier la quantité de chaleur engendrée par ces couples, on a converti en watts le demi-couple exprimé en g.cm de la lèvre souple frottant contre un arbre tournant à 3.000 tours/minute. On a obtenu-i7,8 watts. Par conséquent on peut admettre, en gros, que 50 lèvres souples frottantes peuvent engendrer une chaleur aussi élevée que 1 Kw, ce qui est une quan tité considérable. Le but principal de l'invention est rapporter un joint d'étanchéité amélioré qui garantit un contact substantiellement exempt de frottement de manière certaine entre un arbre et une pièce quand il existe un mouvement relatif de rotation entre cet arbre-et cette pièce. Un autre but de l'invention est de parvenir à un joint d'étanchéité de ce genre ayant une durée de vie consi dérable. On atteint ces buts selon l'invention, ainsi que d'autres qui apparartront plus loin, au moyen d'un joint d'étanchéité pour arbre tournant conçu pour être placé autour de cet arbre et tenu de manière substantiellement fixe, ce joint ayant des lèvres qui s'étendent radialement vers l'extérieur et qui sont aptes à contenir entre elles une pièce pour assurer l'étanchéité entre l'arbre et cette pièce. Pour mieux faire comprendre l'invention on donnera maintenant, uniquement à titre d'exemple, une description de plusieurs modes de réalisation. On se reportera au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est une vue en perspective et en coupe d'une partie d'un joint d'étanchéité conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe par un plan transversal du oint de la figure 1 monté autour d'un arbre et en cours d'utilisation, - la figure 3 est une vue en coupe analogue à la figure 2 d'un autre mode de réalisation d'un joint conforme à l'invention, - la figure 4 est une vue partielle en perspective du joint de la figure 3. Un joint d'étanchéité conforme à l'invention comprend une partie de base 12, cylindrique,entourant une ouverture concentrique 14 dont le diamètre est choisi pour venir fermement en contact avec un arbre 16. Deux ailes s-'étendent radialement vers l'extérieur et sont placees respectivement à chacune des extrémités de la partie-de base 12. La lèvre 18 se trouvant à l'extrémité la plus extérieure de la base 12 (que l'on appellera ici la lèvre d'étan chéiteextérieure) est inclinée vers l'intérieur du joint avec un angle de 300 approximativement par rapport à un plan transversal. La lèvre d'étanchéité extérieure 18 a une épaisseur qui diminue à mesure que le rayon augmente de façon à présenter, en section droite, un profil trapézoïdal. L'extrémité 22 la plus éloignée en sens radial de la lèvre d'étanchéité extérieure 18 se termine de façon à- présenter une arête intérieure vive 24 susceptible de venir en contact avec la face extérieure 26 d'une pièce tournante 28. La lèvre 30 se trouvant sur le côté 32 le plus intérieur du joint d'étanchéité 10 (que l'on appellera ici la lèvre d'étanchéité intérieure) s'étend aussi vers l'intérieur du joint 10 et elle est inclinée avec un angle de 250 environ par rapport à un plan transversal. Cette lèvre d'étanchéité intérieure 30 a également un profil légèrement trapézoïdal à partir de la base 12 jusqu'à son extrémité 34 la plus éloignée en sens radial, qui peut avoir une épaisseur supérieure à celle de la lèvre d'étanchéité extérieure 18. L'extrémité libre 34 de la lèvre d'étanchéité intérieure 30 se termine aussi de façon à présenter une arête intérieure vive 36 susceptible de venir en contact avec la face intérieure 38 de la même pièce tournante. La lèvre extérieure 18 est agencée pour recouvrir la lèvre intérieure 30. Pour que le joint puisse être fabriqué en une seule pièce, il faut que la lèvre extérieure 18 ait un développement en sens radial supérieur à celui de la lèvre intérieure 30. Cette mesure est prévue pour que l'on puisse introduire dans le moule une pièce intermédiaire suffisamment résistante afin de séparer pendant la fabrication les deux lèvres 18 et 30. Si aucune pièce intermédiaire n'était utilisée dans-le moule, les deux lèvres 18 et 30 se fondraient naturellement ensemble. En outre, en raison du recouvrement des lèvres 18 et 30, il existe une force exercée par chaque lèvre sur les faces de la pièce 18 etant donne que chaque lèvre 18, 30 doit etre déformée pour que cette pièce 18 puisse être introduite entre ell's.Ains le joint d'étanchéité tend à s'aligner de lui-même le long de l'arbre 16 pour que la force exercée par l'arête 24 sur la face 26 soit substantiellement équilibrée par la force exercée par l'arête 36 sur la face 38 de la pièce 28. Il en résulte que tout mouvement relatif en sens axial entre le joint d'étanchéité et la pièce 28 fait que l'une des levres se déforme de manière croissante tandis que l'autre présente une déformation d'impor- tance décroissante.Ceci a pour conséquence une inégalité des forces qui donne naissance à une force résultante tendant à re mettre les joint dans la position ou cette force résultante se trouve substantiellement annulée. Par conséquent, on peut dire que le joint a une qualité inhérente d'auto-centrage. L'égalité des forces signifie aussi que les effets d'étanchéité produits par chacune des lèvres sont approximativement égaux. Ainsi qu'on le remarquera, les arêtes 24 et 36 sont des arêtes à angle droit de sorte qu'il subsiste une quanti té relativement grande de matière derrière chacune d'elles. Ceci tend à réduire la déformation de ces arêtes. L'ouverture 14 de la base 12 présente des ner vures espacées 40 qui s'étendent en sens radial vers l'intérieur et qui ont pour rôle de compléter et de rendre plus efficace l'é- tanchéité entre le joint 10 et l'arbre 16 ; ces nervures 40 sont situées respectivement aux extrémités 32 et 20 de la base 12. Une nervure supplémentaire identique 42 peut être prévue dans la partie médiane de cette dernière. Autour de la base 12 et entre les lèvres 18, 30 est placé un anneau 44 qui est apte à exercer une force dirigée en-sens radial vers l'intérieur sur la base 12 et, par eonséquent, à accroître l'effet d'étanchéité entre le joint 10 et'arbre 16 ainsi que de réduire la tendance du joint à glisser le long de l'arbre 16. L'anneau- 44 a aussi pour rôle de s'opposer à toute déformation en sens radial du joint 10 aux vitesses élevées de rotation. L'anneau 44 comprime la nervure 42 contre l'arbre 16 et accroît l'effet d'étanchéité entre le joint 10 et l'arbre 16. En plaçant ainsi l'anneau 44, on crée un couple qui a tendance à rapprocher la lèvre extérieure 18 de la surface 26 et la lèvre intérieure 30 de la surface 38 et, de cette façon, d'augmenter encore l'effet d'étanchéité entre le joint 10 et la pièce 28. Pendant le fonctionnement le joint 10 est monté sur l'arbre 16 et la pièce 28 est placée entre les lèvres 18, 30. La mise en place de la pièce 28 entre ces lèvres 18, 30 réduit aussi la tendance du joint 10 à glisser le long de l'arbre 6 en raison de l'effet d'auto-centrage. La distance à l'état libre entre les parties les plus extérieures encens radial .des lèvres intérieure 18 et extérieure 3-0 est inférieure à l'épaisseur de la pièce 28 de sorte que les arêtes vives intérieures de ces lèvres s'appliquent légè- rement contre cette pièce et assurent entre elles une étanchéité effective qui est presque exempte de frottement en raison du contact qui s'effectue par des arêtes vives. La lèvre intérieure assure une étanchéité qui empêche la graisse, l'huile, etc... de s'échapper de l'intérieur du joint et la lèvre extérieure assure une étanchéité qui empêche l'introduction de poussières et de matières étrangères à l'intérieur du palier au-delà du joint. La pièce 28 peut être disposée pour tourner autour de l'arbre fixe 16 entre les lèvres 18, 30 du joint 10, ou bien l'arbre 16 peut tourner à l'intérieur de la pièce 28. Un joint d'étanchéité 10 conforme à l'invention a des qualités d'étanchéité supérieures à celles des joints connus et, aussi, il produit une friction moindre. En effectuant à nouveau l'essai décrit plus haut, on a constaté qu'un joint conforme à l'invention a fonctionné de façon satisfaisante pendant 168 heures sur une boîte de sable et de poussière de ciment sur laquelle il était monté. Après 500 heures de fonctionnement l'huile n'avait pas fui du joint et la poussière de ciment le sable n'avait traversé le joint. Celui-ci n'exige pas une exactitude parfaite appropriée au diamètre de l'arbre ; on a constaté par exemple qu'un joint ayant un diamètre de 100 mm se comporte de façon satisfaisante sur des arbres ayant une tolérance de 0,05 mm par rapport à la dimension nominale. Un autre mode de réalisation de l'invention est illustré par les figures 3 et 4 sur lesquelles les mêmes pièces sont désignées par les mêmes références numériques avec l'adaonc- tion du chiffe 1 en préfixe. Avec ce mode de réalisation on peut injecter sous pression de la graisse ou de l'huile jusqu'au palier 150 sans détruire le joint d'étanchéité 110. Pour parvenir à ce résultat, il est prévu une pluralité de surépaisseursl52 sur la face interne 154 de la lèvre d'étanchéité intérieure 130, aptes à reposer sur la face correspondante 138 de la pièce tournante 128. Ces surélévations 152 ont le profil de segments de cercle. Une faible distance 156 est ménagée entre les extrémités de la corde de chaque segment 158 et celles des segments voisins 160. Les surélévations 152 sont espacées de façon régulière le long de la face interne 154 de la lèvre d'étanchéité intérieure 130 et elles ont partout une épaisseur constante Les cordes des segments sont en prolongement le long de la base du joint 110 et le bord extérieur incurvé 162 de ces surépaisseurs se termine exactement sur l'arête ou au voisinage de l'arête intérieure vive 136 de la lèvre d'étanchéité 130. Grâce à cet agencement il existe une pluralité de passages 164 à profil substantiellement triangulaire à partir de la face extérieure de la lèvre d'étanchéité inférieure 130, le long de la surface interne de celle-ci, en direction de la surface intérieure de la lèvre d'étanchéité extérieure 118, pendant l'utilisation. Au cours du fonctionnement, on peut injecter de la graisse ou due l'huile jusqu'aux paliers 150 d'un convoyeur ou d'un rouleau, à une pression prédéterminée, ou jusqu'à ce que la matière à injecter soit refoulée à travers la lèvre d'étanehéité extérieure 118. Une telle disposition des surépaisseurs 152 sur la lèvre d'étanchéité intérieure 130 permet au joint 110 d'être également efficace pour assurer l'étanchéité avec des arbres 116 qui tournent aussi bien dans le sens des -aiguilles d'une montre qu'éon sens inverse. Pendant la rotation, la graisse ou l'huile qui adhère à la pièce 128 est raclée par les surfaces incurvées 162 et elle est empêchée de sortir du joint ou elle est refoulée vers le palier 150. Pour que ce joint d'étanchéité puisse être fabriqué par moulage, on peut prévoir, dans la pièce intermédiaire du moule utilisé pour réaliser par moulage le profil désiré entre les lèvres intérieure et extérieure dans le joint décrit plus haut,des découpes profilées de façon convenable. Ces découpes peuvent être obtenues par un enlèvement de matière exécuté sur la face d'étanchéité de la lèvre d'étanchéité intérieure à l'aide d'un outil creusant par son extrémité, ayant un diamètre convenable, jusqu a la profondeur requise. Selon une autre variante de réalisation de l'invention, il peut être prévu un évidement annulaire dans la base du joint, entre les deux lèvres. Cet évidement peut être plus large d'une fraction que lépaisseur- de la pièce pour que celle-ci puisse s'y introduire et tenir le joint dans sa position convenable de fonctionnement en sens axial, le long de l'arbre. Les joints de l'invention peuvent être fabriqués à partir de toute matière convenable comme, par exemple, un composé spécial de caoutchouc synthétique à base d'acrylonitrile. Cette matière est connue pour sa résistance aux huiles et sa bonne résistance à l'abrasion. On peut l'utiliser pour assurer l'étan- chéité vis-à-vis d'une large gamme de fluides y compris des acides dilués, des alcalis, des fluides de refroidissement et des fluides anti-gel, des graisses et des huiles lubrifiantes. Elle est généralement satisfaisante dans une gamme de températures allant de de - 400C à 1210C. Les huiles pour extrême pression contiennent des additifs qui commencent à devenir actifs à des températures supérieures à 900C environ. Ces additifs attaquent le caoutchouc à base d'acrylonitrile en provoquant son durcissement et son fendillement. Quand on se sert d'huiles extrême pression, ce caoutchouc donne néanmoins de bons résultats à condition que ces températures ne soient pas atteintes et, en général, il est toujours meilleur de commencer par essayer d'abord un joint en cette matière. Si on constate que ce joint se durcit et se fendille, alors une matière telle qu'un caoutchouc polyacrylique ou un élastomère fluorocarboné tel que celui connu sous le nom de viton, qui sont des matières ayant une résistance extrêmement élevée aux produits chimiques et à la température, peuvent se révéler satisfaisantes Bien que l'on ait décrit l'invention en se référant spécifiquement à deux modes de réalisation de joints conformes à l'invention, il est entendu que le spécialiste peut apporter de nombreuses variantes de détails à la coneeption ou à la construction sans que l'on sorte pour autant de l'invention. REVENDICATIONS 10/ Joint d'étanchéité comprenant une base cylindrique ayant une ouverture intérieure concentrique, caractérisé en ce qu'il présente une lèvre d'étanchéité extérieure à une extrémité de cette base cylindrique, une lèvre d'etazicbeité intérieure à l'autre extrémité de cette base cylindrique, la lèvre d'étanchéité extérieure et la lèvre d'étanchéité intérieure s'é- tendant vers l'extérieur en sens radial- par rapport à la base cylindrique et étant dirigée. intérieurement l'une vers l'autre, la lèvre d'étanchéité extérieure ayant un développement en sens radial plus important que celui de la lèvre d'étanchéiteïiitérieure. 20/- Joint selon la revendication 1 caracterise en ce que la lèvre d'étanchéité intérieure et la lèvre d'étanchéi- té extérieure ont une épaisseur qui se réduit à mesure qu'on s'éloigne de la base en sens radial de façon à presenter une section droite à profil légèrement trapézoldal, chacune de ces levres se terminant par une arête intérieure relativement vive destinée à venir en contact avec une face d'une pièce. 30/ Joint d'étanchéité selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'ouverture ménagée dans la base cylindrique présente une pluralité de nervures s'étendant vers l'intérieur en sens radial, ces nervures étant au moins au nombre de 2 disposées respectivement à chacune des extrémités de la base cylindrique. 40/ Joint d'étanchéité selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il présente 3 nervures, 2 disposées respecti- vement à chaque extrémité de la base cylindrique et la troisième dans la partie médiane. 50/ Joint d'étanchéité selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comprend un anneau qui passe autotoe de la base cylindrique, cet anneau étant disposé entre la livre d'étan chéité extérieure et la levre d'étanchéité intérieure, autour de la partie où se trouve la nervure centrale. 60/ Joint d'étanchéité selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il présente une pluralité de surépasseurs~ également espacées s'élevant sur la face intérieure de la lère d'étanchéité intérieure. 70/ Joint d'étanchéité selon la revendication 6 caractérisé en ce que les surépaisseurs ont le profil de segments de cercle, une faible distance étant prévue entre les extrémités de la corde de chaque segment et les extrémités de la corde des segments voisins, ces cordes étant en alignement et le bord incurvé de ces segments se terminant au voisinage de l'arête extérieure de la lèvre d'étanchéité intérieure.